近十年來,隨著穿戴式裝置的風潮興起,醫療診斷的發展也朝穿戴式邁進。經濟學家已經預估穿戴式感測器的市場規模預計至2021年將超過150億美元。然而目前對於其發展,電力問題一直是個考驗;穿戴式裝置受限於體積,並無法搭載大容量的電池。

然而隨著科技的進步,可以知道穿戴式感測器的功耗將越來越小,因此清大醫工所副教授林宗宏及台大化學系教授張煥宗研究團隊的概念是將穿戴式感測器的電力來源回歸到最基礎且本質的「人類」自身,利用我們每天的活動即會不斷產生各種機械能,將這些微小但卻最易取用的能量轉變為穿戴式感測器所需的電力。自供電感測器除了具備不需供電即可工作的優點,由於不需使用電源,也可大幅縮小感測器尺寸。對於第三世界國家、偏遠地區或軍事用途,具有不可取代之地位。

為了實現這個概念,研究團隊在科技部經費支持下,利用結合摩擦奈米發電機(TENG)及微小化電化學分析元件的技術,開發出可穿戴的自供電感測系統,用於偵測汗液中的乳酸及葡萄糖。

摩擦奈米發電機是在2012年,由美國喬治亞理工學院教授王中林首先研發出來,主要工作原理是基於摩擦起電及靜電場誘導效應,用途則是在環境中機械能的收集。我們都知道,摩擦起電是自然界中很常見的一種現象,像是日常生活中簡單的梳頭髮、穿衣服及開門等動作,都可以感受到此現象;它的發生是來自於兩個材料經過接觸後,表面所產生的電荷轉移。

科學家早在十八世紀就觀察到許多材料都會產生此現象。然而,這麼多年過去,大家普遍對此現象的感受,只有對生活帶來的不便;然而從摩擦奈米發電機的技術被研發出來,它不但變成科學家極力想重新探討、了解的現象,更是決定摩擦奈米發電機效能的主因,因其電力輸出的大小便是由材料接觸後,表面轉移的電荷量所決定。

事實上,所有的材料都可以產生摩擦起電現象,也都可以被用來設計成奈米發電機元件。如林宗宏之前也與國外研究團作合作,探討衣服纖維及紙張在相關研究的潛力。在衣服纖維元件部分,除了可以收集肢體動作產生的機械能,也可用於直接量測人體其健康程度。在紙張元件部分,紙張本身除了可當作接觸材料之外,其本身的機械結構也可幫助元件受外力接觸後自動分開,可被用來當成偵測壓力的可攜式自供電感測器。

在此篇研究論文中,考量到摩擦奈米發電機會穿戴於人體,可能會產生生物相容性及濕度影響電力輸出等效應,林宗宏研究團隊率先使用蛋白質來設計摩擦奈米發電機,此元件除了具高生物相容性外,也具備了在高濕度環境下可以維持高電力輸出的特點,這也是有別於以往相關元件所表現的特性;另外,也可利用此摩擦奈米發電機來當作自供電的濕度感測器,不需電力供應即可量測環境中的溼度。

有了穩定電力的輸出,林宗宏及張煥宗研究團隊再利用簡單的電路設計來把產生的電力先行儲存在電容中,目前在行走30步的情況下,儲存的電力便可足夠進行一次乳酸或葡萄糖的偵測。比起血液中血糖的量測,利用分析汗液中的成分,來推斷血糖的濃度,具備了非侵入式及更加即時分析等的優點,突顯了穿戴式元件在此發展的優點。

糖尿病位居台灣國人十大死因之ㄧ,每年近萬人因糖尿病死亡,根據國民健康署統計,全國有超過200多萬名糖尿病的病友,且每年以約2萬5000名的速度增加,糖尿病及其所引發的併發症更是影響國人健康,不容小覷,且造成相當龐大的醫療負擔。所以若血糖的檢測方式能與穿戴式裝置進行結合,將會是大眾更能接受的診斷方式。有鑑於此,此研究也利用導電纖維來製備微型電化學分析試片,不僅可縮小所需分析樣品的體積,也演示了將來此系統可整合於衣物,成為新一代的智慧衣不可或缺的自供電生理感測功能。

相關研究論文分別在2016年4月及2017年12月發表於國際著名的《奈米能源(Nano Energy)》科學期刊上,並隨即引起學界及產業界的高度重視。值得一提的是,這項研究中的所有科學實驗,都是在台灣進行。論文的作者包含清大醫工所林宗宏、台大化學系張煥宗及其研究團隊。