加州理工學院開發的太陽能供電可穿戴式汗液感測器使用包晶太陽能電池提供能量，能夠在室內環境下持續監測健康狀況。這些感測器可追蹤多種生物標誌物，為經濟有效地管理各種健康狀況提供了一種非侵入性工具。

佩戴在身體上的汗液感測器，可利用太陽光和室內環境光供電圖源：Jihong Min

穿戴式汗液感測器

汗液和血液一樣，都含有寶貴的健康信息，但收集汗液的侵入性要小得多。 加州理工學院醫學工程助理教授、傳統醫學研究所研究員、Ronald 和JoAnne Willens 獎學金得主高偉開發的可穿戴汗液感測器就是基於這個理念。

在過去五年中，高偉對這些穿戴式裝置進行了改進，以檢測各種健康指標，包括鹽、糖、尿酸、胺基酸、維生素，甚至像C-反應蛋白這樣的複雜分子，而C-反應蛋白是某些健康風險的訊號。 在與奧地利林茨約翰內斯-開普勒大學馬丁-卡爾特布倫納團隊合作開發的最新創新成果中，高錕為這些感測器配備了柔性太陽能電池，實現了連續、無電池運作。

為Wei Gao 的可穿戴汗液感測器供電的柔性過氧化物太陽能電池。 圖片來源：Stepan Demchyshyn

太陽能穿戴科技的進步

實驗室使用的太陽能電池由鈣鈦礦晶體製成，鈣鈦礦之所以受到太陽能電池開發人員的關注，有幾個原因： 首先，它的製造成本比矽（自20 世紀50 年代以來太陽能電池使用的主要材料）低，而矽必須經過多道工序高度純化。 其次，鈣鈦礦比矽太陽能電池層薄1000 倍，用Gao 的術語來說就是”準2D”。 第三，從室外陽光到各種形式的室內照明，均可根據不同的照明光譜對包晶石進行調整。 最後，也是最吸引太陽能先驅的一點是，與矽相比，鈣鈦礦太陽能電池具有更高的功率轉換效率（PCE），這意味著它們可以將更多的光轉換成可用的電能。

增強的過氧化物太陽能電池效率

矽太陽能電池的PCE 已達到26% 至27% 的水平，但在日常使用中，PCE 在18% 至22% 之間徘徊。 相較之下，高偉的可穿戴汗液感測器上的柔性過氧化物太陽能電池（FPSC）在室內光照下的PCE 超過了31%，創下了歷史新高。 “我們不想只用強烈的陽光為我們的可穿戴設備供電，”高偉解釋。 ” 我們關心更多的現實條件，包括正常的辦公室和家庭照明。許多太陽能電池在強烈的陽光下效率很高，但在微弱的室內照明條件下就不行了。汗液感測器上的FPSC 特別適合室內照明，因為”FPSC 的光譜響應與常見的室內照明發射光譜非常吻合”。

穿戴式汗液感測器，顯示緊貼皮膚層（左）和柔性太陽能電池（右）。 中間層包括電子元件和生物標記感測器。 資料來源：Jihong Min

以前的可穿戴汗液感測器由鋰離子電池供電，這些電池體積龐大，必須使用外部電源充電。 為了尋找一種更輕、更可再生的電力來源來為這些高需求設備供電，實驗室嘗試使用矽太陽能電池，但他們發現這種電池過於堅硬、效率低下，而且依賴於強烈的光照條件。 他們也嘗試從人體汗水中的化學物質（一種現成的生物燃料）和身體運動中獲取能量，但發現這些能量太不穩定，或者需要佩戴者太多努力。

透過使用FPSC，高偉製作出了可每天佩戴12 小時的汗液感測器，可對pH 值、鹽分、葡萄糖和溫度進行連續監測，並定期（每5 到10 分鐘）監測出汗率。 所有這些都無需電池或專門的光源。 此外，由於電源變得更輕、更小巧，穿戴式裝置還有空間安裝更多的偵測器，以同時監測更多的生物標記。

透過藍牙與穿戴式汗水感測器配對的手機應用程式。 圖片來源：Jihong Min

這款全新穿戴式汗水感應器與前幾代產品一樣，採用類似摺紙的組裝方式，各層分別用於不同的工序。 感測器有四個主要的互動組件。 第一個組件專門用於電源管理–分配太陽能電池收集的電能。 第二部分實現了離子透入，即在佩戴者不需要做任何運動或暴露在高溫下的情況下誘導出汗。 在高偉的研究中，離子透入療法每三小時進行一次，以確保有足夠的汗水來持續監測所觀察的生物標記。 第三個感測器可對汗液中的各種物質進行電化學測量。 第四個系統管理數據處理和無線通信，使感測器能夠與手機應用程式連接，顯示感測器正在進行的監控結果。

完全組裝後的感測器尺寸為20 x 27 x 4 毫米，可承受佩戴在身體上的機械壓力。 “汗液感測器的大部分元件，如電子元件和FPSC，都可以重複使用，”高偉補充說。 “唯一的例外是感測器貼片，它是一次性的，可以使用噴墨列印技術以低成本批量生產。這些感測器貼片還可以根據使用者希望測量的體內物質進行客製化。”

隨著這些太陽能汗液感測器的投入使用，它們所能測量的範圍將遠遠超過目前任何健身或健康追蹤器所能測量的範圍。 例如，它們可用於糖尿病管理（研究表明，汗液中的葡萄糖與血液中的葡萄糖非常吻合）以及心臟病、囊性纖維化和痛風等一系列疾病的檢測。 由於這些感測器是非侵入式的，而且可以在短時間內進行多次測量，因此可以辨別個人的皮質醇、荷爾蒙或各種營養素和藥物的代謝物等物質的基線水平。 一旦知道了這些物質的基線水平，未來出現偏差時就能提供比單次抽血更有效的診斷手段。 由於感測器的價格相對低廉，因此希望它們能成為包括發展中國家在內的全球各地的優秀診斷工具。

編譯自/ ScitechDaily