体害传感器 日本排毒需用什么传感器检测？核辐射检测仪传感器傻傻分不清？

日本排毒需用什么传感器检测？核辐射检测仪传感器傻傻分不清？

8月24日日本启动福岛第一核电站核污水排海，核污水经由1公里的海底隧道流向太平洋。据央视记者现场报道，福岛第一核电站周围辐射值超标9倍。

这一现象引发公众担忧，除了囤盐外，许多人还通过各个电商平台购买核辐射检测仪，原先乏人问津的产品现在销量猛增。

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下文主要介绍核辐射检测仪 以及其核心传感器部件——核辐射探测器，与核辐射传感器的区别和应用。核辐射探测器和核辐射传感器是两种截然不同的传感器。

核辐射也叫电离辐射或者放射性。放射性物质以波或微粒形式发射出的一种能量就叫核辐射，它是无色无味即看不见也摸不着，我们无法感知它的存在。必须通过专门的仪器设备来进行测量感知。

核辐射存在于所有的物质之中，这是亿万年来存在的客观事实，是正常现象。人类的很多活动都离不开放射性，例如人们摄入的空气、食物、水中的辐射照射剂量约为0.25mSv/年。戴夜光表每年有0.02mSv（毫西弗）；乘飞机旅行2000公里约0.01mSv；每天抽20支烟，每年有0.5-1mSv；一次X光检查0.1mSv等等。

平均而言，人们每年受到约2-3毫西弗(mSv)源自自然的辐射 ，例如宇宙射线和地壳中的放射性物质。这种暴露水平被认为是安全水平。

用什么仪器设备检测辐射？

用来检测辐射值的仪器叫核辐射检测仪，又名辐射检测仪，是用于测量环境中辐射强度的仪器，常用于检测核辐射、核污染是否超标，一般是机场、海关、码头、安全组织、核电站或是研究机构、实验室等可能接触到核辐射、核污染的工作人员会用到。

▲核辐射检测仪结构

核辐射检测仪工作原理

核辐射检测仪主要通过其核心部件——核辐射探测器来测量辐射射线和它们的性质，利用射线与物质相互作用时所产生的多种效应，将各种需要检测的物理、化学等变量信息转变成可测量的电信号，再传给芯片进行计算得出结果。

核心敏感元部件-核辐射探测器

辐射探测器是用来对核辐射和粒子的微观现象进行观察和研究的传感器件、装置或材料。 辐射探测器的工作原理基于粒子与物质的相互作用。

常用的核辐射探测器有电离室、计数管和闪烁计数器、原子核乳胶、固体核径迹探测器和半导体探测器等。 根据工作介质以及发生的效应，通常可分为气体探测器、闪烁探测器和半导体探测器等：

①气体探测器 是利用电离辐射在工作气体中的电离以及离子在电场中的漂移倍增机制实现辐射测量。

气体探测器是最常见的核辐射传感器，其中最为知名、应用最广的是盖革-米勒计数器。

②闪烁探测器 是通过光电转换器件将辐射在闪烁体中产生的荧光转化为电信号来实现辐射测量。

（光导、信号输出）

③半导体探测器 是通过电场收集辐射在半导体介质中产生的载流子实现辐射测量。

核辐射检测仪的分类

核辐射检测仪主要分为小型便携式的个人剂量检测仪和便携式核辐射检测仪、固定式辐射监测报警仪、高精度的伽马射线检测仪以及大型门口放射性检测仪。

核辐射仪的使用

1. 在使用仪器过程中需要确保辐射检测仪的探测口与需要测量的放射源之间不存在任何阻挡。

2. 当使用辐射检测仪在对反射源进行测量的过程中不可以将测量窗口面向太阳，否则对读数可能会造成一定的影响。

3. 了解探头所处辐射检测仪位置，测量过程中探头所在窗口需要与被测物对准。

4. 当方式开关位于不同状态时，仪器所显示的读数可能会出现在低计数率情况下显示出的辐射水平会存在明显的波动。

核辐射仪的选择

辐射监测仪器选择应考虑监测目的、监测对象、辐射类型、使用环境、仪器性能指标等综合因素。仪器选择至少应考虑以下事项：

①剂量率或活度浓度的范围;

②灵敏度;

③被监测同位素/辐射性质;

④报警阈值;

⑤电源及其备份;

⑥环境条件;

⑦测试、校准和易于维护;

⑧异常情况下的功能;

⑨过载响应;

⑩故障指示;

其他核素对测量结果的潜在影响(特别在进行中子、氚和其他 β 监测时)。

什么是核辐射传感器？与核辐射检测仪有什么区别？

从上文介绍，我们了解到核辐射检测仪可以用来检测周围环境的辐射值，而核辐射检测仪里的核心传感器元件是核辐射探测器。

核辐射探测器和核辐射传感器是两种不同类型的传感器，核辐射探测器用于探测环境中的辐射射线 ，传感器本身不释放放射性射线；而辐射传感器则是使用放射性同位素来进行感知 ，传感器本身释放放射性射线。

核辐射传感器是指利用放射性同位素来进行测量的传感器，又称放射性同位素传感器。 核辐射传感器包括放射源、探测器和信号转换电路。放射源一般为圆盘状（β放射源）或丝状、圆柱状、圆片状（γ放射源）。

核辐射传感器的工作原理

核辐射传感器是基于被测物质对射线的吸收、反散射或射线对被测物质的电离激发作用而进行工作的。放射性同位素在衰变过程中放出带有一定能量的粒子（或称射线），包括α粒子、β粒子、γ射线和中子射线。

用α粒子 使气体电离比用其他辐射强得多，所以α粒子常用于气体成分分析，测量气体的压力、流量或其他参数。

β粒子 在气体中的射程可达20米。根据材料对β辐射的吸收，可测量材料的厚度和密度；根据对β辐射的反射可判断覆盖层厚度；利用β粒子的电离能力可测量气体流量。

γ射线 是一种电磁辐射，它在物质中的穿透能力比较强，在气体中的射程为数百米，能穿过几十厘米厚的固体物质，因此广泛应用于金属探伤、测厚，以及流速、料位和密度的测量。中子射线常用于测量湿度、含氢介质的料位或成分。

核辐射传感器应用：

1、工业领域：厚度计、液面计、密度计、材料内部探伤等；

2、医学领域：B超检测仪等；

3、国防：核研究、核检查、核防护等。

广泛应用在制药厂，实验室，发电厂，采石场，紧急状况营救站，金属处理厂，地下油田和供油管道装备，环境保护等部门。

什么是放射性? 它对人体健康的影响有哪些?

放射性衰变

放射性是指原子核自发释放出的辐射。原子由一个中心原子核组成，它包含带正电的质子和不带电荷的中子，周围是带负电的电子。在稳定的原子中，原子核内的力使它保持完整，并阻止任何粒子或能量的自发释放。

但是在某些原子中，由于质子和中子数量的不平衡或其他因素，原子核可能不稳定。这种不稳定性导致了一种被称为放射性衰变的过程。在此过程中，不稳定的原子核经历了一种自发转变以达到更稳定的状态。在该过程中，原子核发出各种不同类型的辐射。

放射性衰变释放的辐射主要有三种类型：

放射性衰变是一种随机过程，特定放射性物质的衰变速率以其半衰期为特征，半衰期是指一半放射性原子核衰变所需的时间。半衰期的概念使我们能够估计衰变速率和在任何时间存在的放射物质的量。

放射性是一种自然现象，也会在多个过程中人为产生，例如核能发电、医学成像和工业应用。它既有益处，也有害处，具体取决于其应用和暴露水平。妥善处理、控制和监测放射性物质对于尽量减少它对人类健康和环境的潜在风险至关重要。

屏蔽的有效性

每种类型的辐射对物质具有不同的穿透能力和不同的电离能。它们会以不同的方式对生命造成损害。

虽然α alpha 粒子在放射性辐射中质量最大、能量最高，但由于它与物质的强烈相互作用，其辐射范围最短。Gamma电磁射线具有极强的穿透力，甚至可以穿透相当厚的混凝土。Beta放射性电子与物质相互作用强，距离短。

自然和人为辐射

我们经常暴露在环境中自然产生的辐射和人为辐射中。辐射量会因地理位置、海拔、个人和职业等因素而有所不同。

辐射暴露的主要来源有：

自然环境辐射

这种辐射存在于地球环境和大气中，来自宇宙射线、氡气等自然来源，以及岩石、土壤和水等陆地来源。

医疗

使用放射性同位素的诊断程序现已成为常态。诊断中最常用的放射性同位素是锝-99 (Tc-99)。核医学利用辐射来提供关于人体特定器官功能的诊断信息。

放射治疗可用于治疗某些疾病，特别是癌症，利用辐射削弱或破坏特定目标细胞。医疗设备的消毒也是放射性同位素的一个重要用途。

医疗对放射性同位素的需求正以每年5%的速度增长。

消费品辐射

这种辐射包含来自烟雾探测器等产品的辐射，一些建筑材料，以及含有放射性物质的某些类型的珠宝。

核工业

这种辐射包含核电站、核研究设施和其他与核有关的工业的辐射暴露，譬如本次日本排放核污水的福岛核电站。

一般而言，我们接触到的大多数辐射都是自然背景辐射。医疗也是一个重要的辐射暴露来源，特别是对于那些经常接受电离辐射医疗程序的人。但是，任何来自这些来源的辐射量通常远低于损害人类健康的水平。

辐射对人体健康的影响

辐射暴露对人体健康的有害量取决于辐射类型、辐射能量、持续时间和个体对辐射的敏感度。

一般而言，持续暴露于低水平的辐射可能会增加癌症风险或者其他长期影响。暴露在高水平电离辐射下例如放射性治疗或核事故，会造成急性影响例如放射病。

辐射剂量:

辐射剂量是指生物体在一段时间内吸收的辐射量。

一个人接收的辐射剂量对伤害的程度起决定作用。在放射医学中，总吸收剂量的单位是戈瑞Gray。1 戈瑞（Gy）等于一1西弗（Sv）。若人体暴露在1戈瑞以下，则可能会出现造血系统混乱。如果暴露在3戈瑞中，他或她的皮肤和粘膜会有烧伤样的损伤。如果剂量超过5戈瑞，胃肠道也会受到损害。更高剂量会对大脑和脊髓造成损伤。如果人体接收了超过20戈瑞，生存的机会微乎其微。

小剂量的能量不会立即导致细胞损伤。但是较大剂量会导致DNA受损。若没有完全或正确修复这种损伤，那么受影响的细胞可能在数年后恶化成肿瘤细胞。然而，在恶性肿瘤的发展中，很多因素例如饮食、生活方式，甚至是由基因决定的人体自身修复系统的效率，都起了一定作用。

根据所接收的辐射剂量可以对辐射暴露的危险程度进行分类。辐射剂量的测量单位是西弗(Sv)，或者更小的单位，毫西弗(mSv)。低于100毫西弗的暴露被认为是低风险，100-500毫西弗是中等风险，暴露在500毫西弗以上为高风险。

日常生活中的辐射对人体健康的影响

辐射类型:

不同类型的辐射的危险程度不同。例如，纸张可以阻挡α粒子，在人体外它不算很危险，但一旦摄入或吸入，则会造成严重损害β粒子的穿透性更强，可能导致皮肤灼伤，而γ射线的穿透性很强，即使从远处也会造成体内损伤。

建议最大剂量

辐射暴露的危险剂量水平取决于多个因素，包括辐射类型、暴露时间和暴露受体的敏感性。以下是针对不同类型辐射暴露的建议最大剂量一般指南：

自然环境辐射

平均而言，人们每年受到约2-3毫西弗(mSv)源自自然的辐射 ，例如宇宙射线和地壳中的放射性物质。这种暴露水平被认为是安全 水平。

职业暴露

在处理放射性物质或从事涉及辐射暴露工作的行业中的工人可能会受到监管机构对其暴露的限制。在美国，职业安全与健康管理局(OSHA)为辐射工作人员设定了每年50毫西弗（mSv）的允许暴露 限值。

长期暴露

长期暴露在较低水平的辐射下会增加患癌和其他健康问题的风险。剂量越大，暴露时间越长，风险就越高。一般估计，每100毫西弗（mSv）的辐射量会增加约5%因辐射而患癌的风险 。

急性放射性疾病

短时间内暴露在高剂量的辐射下会导致急性放射病，可能危及生命。一般认为，急性放射病的阈值约为1000毫西弗（mSv） 。

保护自己免于辐射的三条经验法则

第一 >> 增加距离

2 m 距离，相对于1 m >> 剂量率降低为原来的1/4

4 m 距离，相对于 1 m >> 剂量率降低为原来的1/16 (剂量率与距离的平方呈反比!).

第二 >> 减少暴露时间

暴露时间减半 >> 暴露剂量减半

第三 >> 提供合适的防护

举例：20 cm 厚的混凝土 >> γ剂量率降低85%

辐射源

为了进行核物理实验，需要辐射源。以下给出一些例子：

矿物： 由于某些元素的同位素如铀、钍和钾的存在，一些自然产生的矿物具有放射性。

放射性矿物质的例子包括：

铀矿 (也被称为沥青铀矿）：一种铀矿矿物，通常在花岗质岩石和伟晶岩中发现；

钒钾铀矿：一种钒酸钾铀矿物，通常存在于沉积岩中；

独居石：一种可以含有少量钍和铀的稀土磷矿；

铜铀云母：一种铜铀磷酸盐矿物，通常存在于花岗质岩石和伟晶岩中

钙铀云母：一种钙铀磷酸盐矿物，通常在沉积岩中发现。

值得注意的是，虽然在自然界中可以找到放射性矿物质，但若处理不当，尤其是吸入或摄入，它们也会

对健康构成威胁。因此，在处理放射性矿物时，采取适当的安全措施非常重要。

放射性同位素的举例： Co-60 (Gamma), Sr-90 Beta), Cs-137 (Beta, Gamma), 可在例如：3bscientific.com, imagesco.com, avantorsciences.com, unitednuclear.com 等科学商店购买。

镭: 在过去，镭被用作夜光表表盘、仪器仪表和出口标志的辐射发光材料

钍: 很有可能一些旧的煤气灯罩或焊条仍含有氚，但在处理任何潜在危险材料时，小心使用并遵循适当的安全程序很重要。然而，近年来，更安全的非放射性材料被开发出来，并在大多数应用中取代了钍。

古董店 也经常有含有放射性辐射源的物体和设备。

本文部分资料来自：

CEM华盛昌 《1分钟了解核辐射检测仪》

《半导体计数器 与 盖革-米勒计数器 相比，分别具有什么优势&特点？》

工采网《核辐射传感器的工作原理以及放射性的真相》

自驱动柔性生物医学传感器的研究进展

本文内容转载自《物理学报》第69卷，第17期，版权归《物理学报》编辑部所有。

谈溥川，赵超超，樊瑜波，李舟

北京航空航天大学生物与医学工程学院，北京航空航天大学生物医学工程高精尖创新中心，中国科学院北京纳米能源与系统研究所，佛山科学技术学院口腔医学院

摘要： 柔性传感器是生物医学领域的研究热点,，受到了广泛的关注。然而，柔性传感器需要外部电池供能，续航时间短，这成为了制约其发展的瓶颈。自驱动电子器件概念的提出，为解决续航问题提供了重要思路。本文梳理了自驱动柔性生物医学传感器的最新研究进展，从原理、材料、器件和生物医学应用等角度出发，概述了不同自驱动技术在人体生理信号传感方面的技术特点与研究现状，重点介绍了部分穿戴式和植入式自驱动柔性传感器在人体的呼吸、脉搏、温度监测和人工感觉器官中的代表性研究工作。最后，本文还对自驱动柔性生物医学传感器当前的挑战和未来的发展趋势进行了展望和总结。

关键词： 自驱动，生物医学传感器，纳米发电机，柔性

1 引言

在人体的各项生命活动中，各种器官和组织发挥着重要的作用。人体器官和组织的功能状态体现在不同的生理信号中，这些生理信号包含着大量医学信息，可用于疾病诊断和健康监测，这对于疾病的早期预防、治疗和康复起着至关重要的作用。因此开发不同原理的生物医学传感器具有重要意义，可极大推动生物医学领域的发展。目前临床及市场上的生物医学传感器包括血压计、血氧仪、血糖仪、心电图仪、脑电图仪、红外辐射温度计、胃镜、肠镜、体内膀胱镜等，可以实现对人体生理信号的监测，但是这其中的大部分仪器属于有源式设备，质量体积大，不便于携带，其使用范围也仅仅局限在专业的医疗机构中。植入式和穿戴式医疗器件的出现使得生物医学传感器的使用范围不再局限于特定区域，更有利于对患者健康状况实现长期实时监测，提高患者的生活质量。

生物医学传感器的迅速发展对其能源供给问题提出了迫切的需求，在早期的研究工作中，生物医学传感器通常采用电池供能。然而，电池本身庞大的体积和较大的质量增加了传感器的负载，很大程度上限制了微型化和便携化医疗设备的发展。随着生物医学传感器的发展，其性能逐步提升，对能源需求也越来越高，因此研发不需要外部能源供给的生物医学传感器变得意义重大。

针对这一需求，科学家们开始尝试着通过各种发电技术收集人体周围环境中各种形式的能源来为生物医学传感器提供能量，这些发电技术包括太阳能电池、电磁发电机、生物燃料电池和热电发电机等。2006年，王中林院士等首次提出了纳米发电机，它可以将周围无规则的机械能转换为电能。纳米发电机可以收集低频的机械能，能量转换率高，吸引了越来越多的科研工作者从事基于纳米发电机的自驱动设备的研究。根据工作原理的不同，纳米发电机可分为压电纳米发电机、摩擦纳米发电机两种类型。纳米发电机、电磁发电机及各种复合式发电机的成功研制，使得自驱动生物医学传感器可以利用包括太阳能、热能、机械能和生物能等各种不同形式的能量，极大地拓宽了自驱动生物医学传感器的供能方式。

除了能量来源以外，生物医学传感器的另一个重要研究方向是材料的选择与改进。生物医学传感器的应用场景离不开人体，这对其材料的选择提出了很高的要求。特别是需要在体内工作的植入式生物医学传感器，在其材料的选择上显得更加严苛。一方面，为了保证患者的健康，生物医学传感器的材料需要具有很高的生物安全性。另一方面，由于生物医学传感器往往与人体的皮肤或组织直接接触，为避免对人体造成损伤，材料本身需要具有一定的柔性和拉伸性能。

本文首先讨论了各种柔性自驱动生物医学传感器的工作原理和材料。接着，本文对大量柔性自驱动生物医学传感器领域的工作进行了分类和筛选，并从不同的研究方向中挑选了一些代表性的工作。通过这些代表性的工作，读者可以系统地了解具体研究方向的研究进展和挑战。最后，本文展望并总结了柔性自驱动生物医学传感器领域当前存在的问题、可能的解决方案和未来的发展方向。

2 自驱动柔性生物医学传感器的定义

自驱动柔性生物医学传感器指的是一类通过收集人体或周围环境的能量和信息，无需外接电源就能满足自身电能需求，同时具有柔性和可拉伸性的生物医学传感器，可应用于对人体各项生理信息和生命活动的长期监测。根据其工作环境是在人体内或体外，可以分为植入式自驱动柔性生物医学传感器和穿戴式自驱动柔性生物医学传感器。根据其设计思路的不同，又可以分为主动式生物医学传感器和能源式生物医学传感器。

现有的商用传感器常常需要外接电源才能工作，额外的电路不仅增加了系统的复杂性，同时也在一定程度上增加了器件的尺寸。主动式生物医学传感器无需外部电源便可以直接将人体的生理信号（如力学信号、热信号等）转变为电信号，传输给检测装置，从而大大降低了整个系统的复杂性（图1（a））。常用的信号转换装置包括摩擦纳米发电机、压电纳米发电机和热电发电机等。能量式生物医学传感器则是通过各种发电技术与现有的传感器技术相结合，收集人体和环境中的能量，为传感器提供电能（图1（b））。此时，摩擦纳米发电机、压电纳米发电机和热电发电机等不再扮演信号转换装置的角色，而是作为能量收集装置为商用传感器提供电能。

图1 自驱动柔性生物医学传感器的设计思路：（a）主动式生物医学传感器直接收集各种生理信号并转化为电信号；（b）能源式生物医学传感器收集能量再为商用传感器提供能量

一种自驱动柔性生物医学传感器一般需要使用多种材料，根据其功能的不同，可以将这些材料分为三类。第一类是能量转换材料，负责将其他形式的能量转化为电能。不同的工作原理的自驱动柔性生物医学传感器需要使用不同的能量转换材料，例如：具有压电效应和热释电效应的聚偏二氟乙烯（PVDF），具有热电效应的碲化物及其合金，以及具有常用作摩擦层的聚四氟乙烯（PTFE）等。第二类是电极材料。由于自驱动柔性生物医学传感器需要满足柔性和拉伸性的要求，传统的金属电极已不再适用，需要在原来的基础上补充一些特殊的加工或结构设计。此外，一些柔性电极如氧化铟锡（ITO）和水凝胶也为自驱动柔性生物医学传感器提供了更多电极上的选择。第三类材料是结构材料，其作用是隔离，封装和保护自驱动柔性生物医学传感器的其他材料。常用的结构材料有硅胶、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等。

由于自驱动柔性生物医学传感器特殊的应用场景和应用对象，在其材料的选择的问题上要求很严格，需要考虑到材料的多项性能。自驱动柔性生物医学传感器的监测对象是人体，往往需要与人的皮肤或器官组织直接接触，硬质的刚性材料会带来异物感和刺痛感，影响患者体验甚至危害患者的健康和安全。因此，自驱动生物医学传感器材料需要保证一定的柔性。如果器件的部分结构不可避免的要使用一些刚性材料，则可以考虑使用柔性材料将刚性材料封装起来，以避免刚性材料与人体的直接接触。自驱动柔性生物医学传感器的工作环境比较复杂，往往伴随着各种各样的体液，因此，其选用的材料需要具备一定的化学稳定性。同时，由于自驱动柔性生物医学传感器需要对监测对象进行长期的监测，工作时间较长，对于涉及机械运动的自驱动柔性生物医学传感器来说，其运动循环次数很多，对材料的机械稳定性提出了较高的要求。此外，一些具有特殊应用的自驱动柔性生物医学传感器也需要一些额外的性能，比如，应用于电子皮肤的器件在材料选择时往往需要考虑材料的透明性，而植入式自驱动柔性生物医学传感器的材料则有更高的生物安全性要求。

3 自驱动柔性生物医学传感器的工作原理

自驱动柔性生物医学传感器的电能来源于人体周围其他形式的能量，包括机械能、热能、光能等。为了收集这些能量，基于不同原理的纳米发电机逐渐被科学家们研发出来。本文重点介绍适用于自驱动柔性生物医学传感器的4种发电机：压电纳米发电机、摩擦纳米发电机、热电发电机与热释电发电机。除了这4种发电机以外，还有一些其他的发电技术也被用于自驱动柔性生物医学传感器的研发，比如光伏电池、生物燃料电池、电磁发电机等。

3.1 基于压电纳米发电机的自驱动柔性生物医学传感器的工作原理

压电效应很早就被科学家们所发现，近年来更是被广泛应用在医疗电子设备领域。压电效应指压电材料在沿一定方向上受到外力而产生形变时，内部出现极化并产生压电电势的现象。最典型的压电材料是纤锌矿结构的ZnO，其内部的Zn2+和O2–沿着c轴方向成正八面体结构层叠排列（图2（a））。当没有外力作用时，正电荷中心和负电荷中心位于同一位置，当外力施加到四面体的任何一个轴向方向时，晶体中的正负电荷中心发生位置的偏移，从而形成偶极矩，力的方向与轴向方向越接近，偏移越明显（图2（b））。偶极矩的产生使得晶体沿着轴向方向的两端产生电势差，该电势即为压电电势（图2（c））。此时，再将压电材料两端接入负载或者处于短路状态，就能产生电流（图2（d））。基于这一原理，王中林院士提出了压电纳米发电机。早期的压电纳米发电机往往选用一些脆性的无机压电材料，如BaTiO3和Pb（ZrxTi1–x）O3等，并不适用于自驱动生物医学传感器领域。随着研究的深入，新的有机压电材料如PVDF被相继开发出来，压电材料开始向柔性、薄膜化发展，也使得压电纳米发电机在自驱动柔性生物医学传感器这一领域的应用迅速发展起来。

图2 压电纳米发电机的工作原理：（a）ZnO的晶体结构模型；（b）ZnO纳米线的压电势；（c）ZnO纳米线压电势有限元分析；（d）压电纳米发电机的发电机制

2010年，Li等设计了一种可植入体内的纳米发电机，可利用压电纳米发电机收集小鼠体内的机械能，该装置的电学输出有限，其峰值电压低于50 mV，峰值电流低于500 pA。但是，这项工作首次证明了纳米发电机可以在体内为植入式医疗设备提供能量，为自驱动植入式生物医疗传感器的研究奠定了基础。

3.2 基于摩擦纳米发电机的自驱动柔性生物医学传感器的工作原理

王中林院士于2016年提出的摩擦纳米发电机，是机械能收集的又一开创性工作。摩擦纳米发电机的发电原理基于摩擦起电效应和静电感应效应的耦合。两种不同材料相互摩擦后，由于其对电子的吸附能力的差异，一种材料会带上正电荷，而另一种材料会带上负电荷，同时，两种材料的背侧电极上会产生感应电荷。当两种材料分离时，正负电荷发生分离，这种正负电荷分离会相应的在材料的上下电极上产生电势差。随着两种材料的距离发生变化，电势也会发生周期性的变化。同压电纳米发电机类似，将两种材料的外侧通过外部电路或负载连接起来，可以产生交变的感应电流。

摩擦纳米发电机选材广泛，原则上，可由任何两种材料组装制备而成，这使得其在各个领域都有广泛的应用前景。另一方面，摩擦纳米发电机对低频条件的机械能也具有良好的收集能力。由于人体的各种运动一般属于低频运动，这使得摩擦纳米发电机能够很契合的应用在生物机械能的收集上。如图3所示，摩擦纳米发电机具有4种基本模式，分别是接触分离式、滑动式、单电极模式和独立层式。4种摩擦纳米发电机具有各自不同的应用场景，都在机械能收集上有广泛的应用。

图3 摩擦纳米发电机的4种工作模式：（a）接触分离式摩擦纳米发电机；（b）滑动式摩擦纳米发电机；（c）单电极模式摩擦纳米发电机；（d）独立层式摩擦纳米发电机

2014年，Zheng等设计了一种植入式摩擦纳米发电机，将器件植入大鼠的胸皮下方或膈肌与肝脏之间，通过收集大鼠呼吸产生的机械能，为植入式心脏起搏器供电。这一设计首次证明了摩擦纳米发电机在植入式医疗设备应用的可行性，极大地拓宽了植入式自驱动生物医学传感器的研究思路。

3.3 基于热能收集的自驱动柔性生物医学传感器的工作原理

热能是自然界中另一种常见的能量形式，人体作为一种热源，可以充当基于热电效应装置的能量来源。热电发电的原理基于塞贝克效应，即两种不同的导体或半导体在温度梯度下，两种物质间产生电势差的现象。如图4所示，热电偶由两种具有不同塞贝克系数的金属A和B组成，材料两端的温度差会导致两种材料在输出端之间形成电势差。另外，将单个金属导体置于温度梯度下，内部载流子从热端移至冷端，然后在冷端积聚，也可以产生沿温度梯度方向的自旋电压。常见的无机热电材料通常刚性较大且易碎，不能满足当前生物医学传感器对器件的柔性要求。针对这一问题，越来越多的具有优良性能的二维热电材料被研发出来。

图4 热电发电机的发电原理

热释电发电机也可以收集热能产生电能，但是这种发电机的发电原理与热电发电机截然不同。热电发电机通过温度梯度来收集热能，而热释电发电机通过温度的变化来收集热能，这一现象往往出现在一些铁电材料中。铁电材料中的电偶极子的摆动幅度会随环境温度的变化而变化，当环境温度升高时，电偶极子的摆动幅度增大，电极的感生电荷增加，从而产生电子的流动。无论是热电发电机还是热释电发电机，其重要问题都是能源收集效率的问题，特别是应用在自驱动生物医学传感器领域时，皮肤热阻、材料热阻、热扩散等都是限制其能源收集效率的潜在因素。

4 自驱动柔性生物医学传感器的应用

4.1 自驱动柔性呼吸传感器

呼吸是人类的一个重要健康指标，呼吸运动与人体的所有生命活动都有内在的联系，可实时反映人的健康状况。睡眠呼吸暂停低通气综合征是临床中常见的严重呼吸系统疾病，患病者具有较高的健康风险。目前，睡眠监测是该疾病临床诊断的重要标准。因此，对于睡眠医学来说，开发一种能够长时间连续监测自发性呼吸而又不影响睡眠质量的呼吸监测设备至关重要。此外，一些研究表明，人体呼出的气体含有多种化学成分，这些化学成分也可用于检测人体的健康状况，甚至可以诊断某些特定疾病。因此，除了监测呼吸运动之外，呼出空气的检测和分析也很重要。

2017年，Liu等提出了一种用于呼吸监测的穿戴式自驱动传感器，该传感器先在硅基板上静电纺丝制备出PVDF薄膜，再经过极化后制成。通过与弹性绑带集成，这种柔性压电纳米发电机可以将呼吸运动的机械能转换为电信号，实时监控人的呼吸状况（图5（a））。2017年，Xue等通过将PVDF薄膜与N95型口罩集成在一起，制造出了一种可穿戴的热释电呼吸传感器。人体呼气和吸气时会发生温度波动，此时这种穿戴式热释电呼吸传感器可以通过PVDF薄膜的热释电效应产生的电信号反映出穿戴者的呼吸状态。在50 MΩ的外部负载下，该可穿戴热释电呼吸传感器的最大功率可以达到8.31 μW（图5（b））。

图5 自驱动柔性呼吸传感器：（a）基于柔性压电纳米发电机的穿戴式自驱动呼吸传感器；（b）与N95口罩集成的热释电可穿戴呼吸传感器；（c）基于摩擦纳米发电机的主动式酒精呼吸分析仪

除了对呼吸直接的监测以外，对呼出气体成分的监测也是非常有意义的。2015年，Wen等制造了一种基于摩擦纳米发电机的呼吸传感器，将摩擦纳米发电机作为呼出气体酒精检测系统的电源（图5（c））。该装置通过一个转盘式摩擦纳米发电机来收集呼出气体的机械能，同时，基于Co3O4的气体传感器的电阻会随环境酒精浓度变化而变化。该基于摩擦纳米发电机的气体传感系统可以检测到10 ppm(1 ppm=0.001‰)的低浓度酒精，当喝酒的人向仪器呼气时，其产生的电压会触发警报系统并发出警告信号。

4.2 自驱动柔性脉搏传感器

心脏是保证人体中各种其他器官、系统和整个身体正常运转的重要器官，其主要功能是为血液流向身体各部分提供动力。脉搏信号是监测心脏状态的重要标志。许多临床疾病，尤其是心血管疾病，会使患者的脉搏发生异常搏动。脉搏监测可及时发现异常的心脏活动，是预防突发性心血管疾病的第一道防线，有助于相关心血管疾病的诊断和治疗。脉搏的长期连续监测对于心血管疾病患者更为重要，然而，在当前临床中使用的心电图仪相对比较笨重，不便于随身携带和使用。为了实现长期连续的脉搏监测并确保监测结果的精度和准确性，许多研究团队已经开发出具有高灵敏度和便携性的自驱动脉搏传感器，这对促进移动医疗设备和远程医疗的发展具有重要意义。

将设备植入到心包外直接对心脏搏动进行监测，是最直接的脉搏监测方式。2016年，Ma等提出了一种基于柔性摩擦纳米发电机的主动式脉搏传感器，该装置可以将心脏运动产生的力学信号直接转换为电信号（图6（a）），用于脉搏信号的连续监测。2017年Ouyang等基于摩擦电效应开发了一种柔性的自驱动超灵敏脉搏传感器（图6（b））。当该器件用于人体脉搏检测时，其输出可以达到1.52 V，响应时间为50 μs，峰值信噪比高达45 dB。其收集的脉搏信号与常规脉搏信号的二阶导数一致，对某些特定心血管疾病（如心律不齐和心房纤颤等）的诊断具有指导性意义。2018年，Park等设计了一种自驱动超柔性生物传感器，该传感器能够实时准确地监测心率（图6（c））。这种传感器是通过在超薄聚对二甲苯基板（厚度为1 μm）上将有机光伏电池与有机电化学晶体管集成在一起而制成的。其内置的有机光伏电池可以在室内光照条件下正常工作，驱动其内置的传感器以大约1 V的低电压条件运行。当该传感器连接到手指，同时，凝胶电极连接到人的胸部时，其有机电化学晶体管可以获取清晰稳定的心率信号。

图6 自驱动柔性脉搏传感器：（a）用于实时生物医学监测的自驱动多功能植入式传感器；（b）基于摩擦电效应的柔性自驱动超灵敏脉搏传感器；（c）基于有机光伏电池的自驱动超柔性生物传感器

4.3 自驱动柔性体温传感器

体温则是另一项重要的生命体征。健康人的体温相对恒定，当人体偏离正常体温时，人体的正常新陈代谢将受到影响，并导致细胞、组织和器官的功能紊乱。因此，体温监测对人体健康评估具有重要意义。发热是一些流行病的常见病理性表现，对体温的监测是遏制这些流行病传播的重要手段。近年来的一些研究表明，对于温度诊断而言，连续的体温监测比单独测量具有更高的医学价值，而连续的人体温度监测离不开可穿戴设备和自驱动技术的支持。因此，开发一种可以全天连续监测体温的自驱动可穿戴设备具有很重要的医学意义。

2012年，Yang等提出了一种基于热释电纳米发电机的自驱动温度传感器，由单根钛酸锆钛酸铅纳米线制成（图7（a））。这种纳米线的输出电压与温度变化率呈正相关关系，室温条件下，最小温度检测极限为0.4 K，可用于检测人的指尖温度。2015年，Zhang等报道了一种柔性自驱动的温度-压力双参数传感器，该传感器由有机热电材料和微结构支撑框架制成。基于热电效应和压电效应的耦合作用，自驱动双参数传感器可同时区分0.1 K的温度变化和28.9kPa–1的压力变化。结合喷墨印刷技术，Zhang等制备了高度集成的可穿戴温度传感器阵列（图7（b））。2015年，Wang等设计了一种复合式纳米发电机，将两个摩擦纳米发电机和两个电磁发电机巧妙地集成在一个小的丙烯酸盒中（图7（c））。通过收集呼吸气流的机械能，该复合式纳米发电机可以持续驱动4个商用温度传感器。当气流速度为约18 m/s时，该复合纳米发电机的摩擦纳米发电机部分在3 MΩ的负载电阻最大输出功率为3.5 mW，电磁发电机部分在2 kΩ的负载电阻下可产生1.8 mW的最大输出功率。在两种发电机的共同工作下，无线温度传感器被成功驱动。

图7 自驱动柔性体温传感器：（a）基于热释电发电机的自驱动温度传感器；（b）由热电材料制成的自驱动温度-压力双参数传感器；（c）基于复合发电机的温度传感器系统

4.4 自驱动柔性人工感觉器官

人体通过各种感觉器官感知周边环境，应对环境的各种变化。部分残障人士由于器官受损，可能存在一些感知障碍，给他们的正常生活带来了许多困扰。自驱动柔性人工感觉器官可以为他们的生活带来极大的帮助。现阶段，研究者已经在自驱动柔性听觉传感器、自驱动柔性触觉传感器和自驱动柔性嗅觉传感器等方向上有了一定的突破。此类人工感觉器官的进步，一方面可以促进生物医疗领域的发展，另一方面也会给机器人领域带来很大的推动。

2018年，Guo等设计了一种人工耳，这种人工耳将声学信息转换为力学信息，再根据摩擦纳米发电机的原理将力学信息转换为电学信息进行识别。摩擦纳米发电机对力学信息的识别具有宽频的特性，基本能覆盖人日常交流的声音频率（图8（a））。2018年，Wang等研发制备了一种基于摩擦纳米发电机的透明可拉伸触觉传感器。器件中的聚乙烯醇通过静电纺丝制成，结合湿法刻蚀等工艺，制成了8×8的阵列。该器件兼具高透明度、高压力敏感性、可拉伸性及多点触控操作等特性，能够同时实现生物机械能收集、触觉感知等功能，为制备可拉伸透明的触觉传感器提供了一个全新的思路（图8（b））。2019年，Zhong等构建了一套可以替代人嗅觉的电-脑-行为闭环系统。基于纳米发电机与生物体嗅觉神经反馈的原理，这套系统可以使小鼠对危险气体进行识别并做出反馈，避开危险区域（图8（c））。随着微电子技术的不断成熟，此类人工耳蜗，电子皮肤和人工嗅觉闭环等工作器件的分辨率将越来越精细，可望满足未来工业和市场的要求。

图8 自驱动柔性人工感觉器官：（a）用于机器人和助听器的自驱动听觉传感器；（b）用于可穿戴电子设备的自驱动触觉传感器；（c）用于智能嗅觉替换的摩擦电-脑-行为闭环

5 展望

上述的各种自驱动生物医学传感器，往往关注单一种类生理信号的采集，然而，生理信号的种类多种多样，医疗诊断往往需要综合参考多种生理信号。单一功能的自驱动柔性生物医学传感器已经不能满足诊断的需求，多种功能的集成将成为一种发展趋势。2020年，Chen等设计的多功能传感系统可以同时实现对手臂肌肉的温度和应力的监测（图9（a））。同时，多功能的传感系统也提升了设计难度，对能耗提出了更高的要求。

图9 自驱动柔性生物传感器的重要研究方向：（a）多功能的传感系统；（b）无线信号传输；（c）柔性人机界面

在自驱动生物医学传感器研究的早期阶段中，考虑到信号传输的稳定性，自驱动生物医学传感器的信号传输方式通常采用有线传输。随着无线信号传输技术的发展与成熟，无线信号传输成为自驱动柔性生物传感器的一个重要研究内容。对于穿戴式自驱动柔性生物医学传感器，无线信号传输可以节省线路，简化整个系统的复杂性。对于植入式自驱动柔性生物医学传感器，要将体内收集到的信号透皮传输到体外，同时尽量减少对生物体的损伤，无线信号传输就显得至关重要。2019年，Niu等设计的传感器网络，引入了一种非常规的射频技术，可以实现对人体脉搏、呼吸和身体运动的连续实时监测（图9（b））。

自驱动生物医学传感器是一种实现人机交互的工具，因此，在自驱动生物医学传感器的研制中，构建良好的人机界面非常重要。特别的，因为这些设备应用于生物医疗领域，又对它们提出了无毒无害和柔性的新要求。Rogers课题组长期专注于柔性电子器件的研究，2019年，他们研发了一种无线、无需电池的触觉信息界面，这种界面可以轻柔地附着在皮肤上，并通过可编程的局部机械振动来实现触觉信息的远程传输（图9（c））。

6 总结

近年来，关于自驱动柔性生物医学传感器的研究发展迅猛，研究者针对自驱动柔性生物医学传感器开展了各方面的研究，其研究方向主要体现在性能的提升，应用场景的拓展，与新技术的结合，以及新结构、新原理的研发等方面。同时，研究者们也致力于通过各种努力弥补现有自驱动柔性生物医学传感器的各种不足，其努力方面包括以下几个方面。

首先是自驱动柔性生物医学传感器的器件小型化。当前，随着半导体技术的发展与成熟，电子元器件的尺寸已经足够小且精细，然而，当前的自驱动柔性生物医学传感器仍然处于实验室研发阶段，大部分器件依赖手工制作，这对器件的高精度和微型化的要求提出了挑战。研究者们借鉴工业生产中的各项优秀技术，比如柔性电路板制作和3D打印技术，使得自驱动柔性生物医学传感器的精度和微型化得到了很大的提升。第二个问题是自驱动柔性生物医学传感器的循环稳定性：一方面，器件的机械稳定性有待接受复杂环境的考验；另一方面，能量收集能力、储能能力、能量转换能力等方面的提升，可以提升自驱动柔性生物医学传感器的有效工作时间。现有的能量收集技术在理论上是足够的，但是在实际应用过程中，由于多种因素引起的衰减，效果并不理想。研究者们利用多层化、阵列化和复合发电机的方案来提高自驱动柔性生物医学传感器发电效率。此外，全柔性也是自驱动柔性生物医学传感器需要解决的问题之一。现有的封装材料和发电材料都可以满足柔性的要求，但是，现有的柔性电路技术仍与实际使用的要求相差甚远。为了实现真正有效的柔性电路，研究人员提出了各种思路，如功能性水凝胶、导电聚合物、电子织物和离子导体等。

自驱动柔性生物医学传感器具有广阔的应用前景，因而受到了广泛的关注和研究。但是，缺乏柔性电路和更高效的发电技术的瓶颈限制了自驱动柔性生物医学传感器的发展。未来新技术和新材料的发现，将会继续推动自驱动柔性生物医学传感器取得长足的进步和发展。

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