以柔克刚，新型可穿戴设备登上Nature Materials！
奇物论
2021-10-03
磁致弹性效应是指当微小的磁铁不断被机械压力推到一起和拉开时材料磁化程度的变化，磁致弹性效应通常在刚性合金中观察到材料在机械应力下的磁性变化，其机械模量与人体组织的机械模量显著不同，因此限制了其在生物电子学中的应用。人们一直在努力制造可从人体运动中收集能量的可穿戴发电机，为传感器和其他设备供电，但缺乏实用性阻碍了这种进展。例如，具有磁致弹性效应的刚性金属合金不能充分弯曲以压缩皮肤并为可行的应用产生有意义的功率水平。其他依赖静电的设备往往不会产生足够的能量。它们的性能也会在潮湿条件下或皮肤上有汗水时受到影响。一些科学家试图封装此类设备以防止水进入，但这会降低其有效性。近日，加州大学洛杉矶分校陈俊等人发现了磁致弹性效应可以存在于一个柔软而灵活的系统中，而不仅仅是在刚性系统中。为此，他们发明了一种新型柔软灵活的自供电生物电子设备。该技术将人体运动（从弯曲肘部到微妙的运动，如手腕上的脉搏）转化为电能，可用于为可穿戴和植入式诊断传感器供电。该成果发表在Nature Materials上。
为了证明他们的概念，该团队使用分散在纸一样薄的硅胶基质中的微型磁铁来产生磁场，该磁场随着基质的起伏而改变强度。随着磁场强度的变化，就会产生电力。于此，该团队构造了一个小型、灵活的磁弹性发电机，由铂催化的有机硅聚合物基质和钕-铁-硼纳米磁铁制成。然后，他们用柔软、有弹性的硅胶带将其固定在受试者的肘部。他们观察到的磁致弹性效应是具有刚性金属合金的类似尺寸装置的4倍。结果，该设备产生每平方厘米 4.27 毫安的电流，比次优的同类技术好10,000 倍。
事实上，柔性磁致弹性发生器非常灵敏，可以将人体脉搏波转换为电信号，并充当自供电、防水的心率监测器。产生的电力还可用于为其他可穿戴设备提供可持续的动力，例如汗液传感器或温度计。此外，潮湿的环境（例如出汗）通常会影响设备的运行，然而，该新型可穿戴磁致弹性发电机即使在人工汗液中浸泡一周后仍能很好地进行测试。综上所述，柔性磁致弹性复合材料用于可拉伸和防水的磁致弹性发电机，可贴合人体皮肤。此类设备可用作可穿戴或植入式发电机和生物医学传感器，为以人体为中心的应用开辟了替代途径。Zhou, Y., Zhao, X., Xu,J. et al. Giant magnetoelastic effect in soft systems for bioelectronics. Nat.Mater. (2021).https://doi.org/10.1038/s41563-021-01093-1
