Nanogenerator Triboelektrik Portabel untuk Pemantauan Respirasi Real-Time
Abstrak
Sebagai indikator yang dapat diandalkan dari kesehatan fisiologis manusia, laju pernapasan telah digunakan dalam lebih banyak kasus untuk prediksi dan diagnosis penyakit pernapasan potensial dan disfungsi pernapasan yang disebabkan oleh cystic fibrosis. Namun, dibandingkan dengan elektronik seluler pintar, sistem pemantauan pernapasan klinis tradisional tidak nyaman digunakan sebagai perangkat rumah tangga yang dapat dipakai untuk pemantauan pernapasan waktu nyata dalam kehidupan sehari-hari karena strukturnya yang rumit, pengoperasian yang kompleks, dan ketergantungan pada sumber daya eksternal. Dengan demikian, kami mengusulkan sensor respirasi nirkabel yang dapat dipakai berdasarkan lateral sliding mode triboelectric nanogenerator (TENG) untuk memantau laju pernapasan dengan merasakan variasi lingkar perut. Dalam makalah ini, kami memvalidasi kemungkinan perangkat sebagai sensor pemantauan pernapasan melalui model teoretis yang telah ditetapkan dan menyelidiki kinerja keluaran sensor melalui serangkaian tes mekanis. Selanjutnya, penerapan sensor pernapasan pada individu yang berbeda, ritme pernapasan yang berbeda, status aktif yang berbeda, dan transmisi nirkabel telah diverifikasi oleh banyak tes sukarela. Semua hasil menunjukkan potensi sensor wearable yang diusulkan sebagai alternatif baru untuk mendeteksi dan memantau laju pernapasan waktu nyata dengan penerapan dan sensitivitas umum.
Pengantar
Disertai dengan penurunan iklim global, peningkatan polusi udara yang serius dan kecenderungan memburuknya populasi usia lanjut, kesehatan manusia, terutama kesehatan sistem pernapasan, semakin terancam [1,2,3]. Sementara itu, pemantauan kesehatan fisik manusia menjadi fokus perhatian untuk pencegahan penyakit laten [4,5,6,7]. Laju pernapasan, sebagai salah satu indikator paling penting dan andal yang secara langsung mencerminkan kesehatan fisiologis manusia, dapat memberikan informasi kunci untuk prediksi dan diagnosis penyakit pernapasan potensial seperti sindrom apnea tidur obstruktif (OSAS) dan disfungsi pernapasan yang disebabkan oleh cystic fibrosis [8, 9,10,11]. Berbagai peralatan medis tradisional telah digunakan untuk memantau status pernapasan, dan upaya luar biasa juga telah dilakukan untuk mengembangkan teknologi pemantauan pernapasan yang inovatif. Terlepas dari penerapan klinis yang hebat dan akurasi pemantauan, struktur yang rumit, pengoperasian yang kompleks, ketergantungan pada sumber daya eksternal, dan portabilitas yang buruk membatasi pengembangan lebih lanjut sebagai elektronik medis seluler pintar. Dalam beberapa tahun terakhir, kemajuan dalam jaringan seluler dan elektronik berdaya rendah telah mendorong perangkat medis seluler yang cerdas dengan kecepatan yang luar biasa dan telah membangkitkan minat yang meningkat pada perawatan kesehatan rumah tangga dan elektronik yang dapat dikenakan yang fleksibel [6, 12,13,14,15,16, 17,18]. Oleh karena itu, sensor perawatan kesehatan yang dapat dipakai tanpa baterai dengan potensi besar untuk pemantauan pernapasan, dengan cara yang cerdas, sangat dibutuhkan di mana-mana.
Dibandingkan dengan beberapa teknologi pemulung bioenergi yang relatif matang seperti elektromagnetik [19, 20] dan piezoelektrik [21,22,23,24,25], triboelectric nanogenerators (TENGs) [26,27,28,29,30], dengan keunggulan ringan, kepadatan energi tinggi, dan sensitivitas penginderaan tinggi, memiliki potensi yang lebih baik dalam aplikasi sebagai pemanen bioenergi, elektronik yang dapat dikenakan, dan perangkat pemantauan kesehatan mandiri. Selanjutnya, pemanen energi berbasis TENG lebih mampu dalam mengais bioenergi di lingkungan kerja dengan bandwidth frekuensi di bawah 10 Hz seperti napas manusia [31, 32], dan bahan yang digunakan untuk TENG bebas timbal yang aman digunakan untuk sensor kesehatan. Oleh karena itu, TENG tidak diragukan lagi merupakan salah satu pilihan terbaik untuk perangkat pemantauan pernapasan yang dapat dipakai dan bertenaga sendiri. Untuk memenuhi permintaan yang meningkat akan teknologi pemantauan kesehatan yang dapat dipakai dan berdaya sendiri, banyak sensor berbasis TENG baru telah dikembangkan untuk memantau status fisiologis manusia. Lin dkk. mengusulkan sistem self-powered wireless body sensor network (BSN) untuk pemantauan detak jantung melalui integrasi TENG (D-TENG) berbasis struktur berbulu halus, sirkuit manajemen daya, sensor detak jantung berbasis TENG, unit pemrosesan sinyal, dan modul Bluetooth untuk transmisi data nirkabel pada tahun 2018 [13]. P.Maharjan dkk. merancang sebuah kurva baru berbentuk kurva hybridized elektromagnetik-TENG (WHEM-TENG) pada tahun 2018, bekerja sebagai jam tangan elektronik yang ditenagai oleh energi biomekanik yang diambil dari lengan ayun, yang juga didemonstrasikan untuk memberi daya pada sinyal denyut nadi dan pemantauan detak jantung [ 17]. Chen dkk. melaporkan nanogenerator hibrida fleksibel dari sifat piezoelektrik dan triboelektrik pada tahun 2017 yang dapat dilekatkan secara sesuai pada permukaan lunak seperti kulit manusia untuk memanen energi sentuhan keragaman berdasarkan tikar nanofiber electrospun dan memantau sinyal fisiologis real-time seperti informasi pernapasan dan nadi arteri radial [ 33]. Cu dkk. melaporkan sensor pulsa berdasarkan TENG elektroda tunggal dengan fleksibilitas dan kenyamanan tinggi untuk kulit manusia pada tahun 2018, yang dengannya bentuk gelombang nadi manusia khas yang mewakili gelombang tekanan arteri radial dapat berhasil diperoleh [34]. Pekerjaan yang disebutkan di atas telah sangat mendorong pengembangan perangkat cerdas berbasis TENG yang dapat dipakai dan mandiri dalam pemantauan fisik manusia.
Variasi lingkar perut adalah perilaku fisik alami manusia selama proses pernapasan sehingga menangkap informasi dari deformasi perut adalah pendekatan penginderaan dan tidak memiliki efek negatif pada aktivitas normal manusia, yang juga dapat menjadi sumber energi yang mungkin dengan mengais energi biokinetik. . Dalam makalah ini, kami mengusulkan sensor pernapasan nirkabel terintegrasi yang dapat dikenakan di pinggang berdasarkan mode geser TENG, dengan keunggulan portabilitas, mobilitas, dan kecerdasan, secara bersamaan. Ini dapat diterapkan dalam aktivitas sehari-hari yang berbeda untuk pemantauan respirasi real-time berkelanjutan dan pendeteksian OSAS tanpa efek merugikan pada fungsi normal perangkat maupun pengaruh buruk pada aktivitas sehari-hari pengguna. Sabuk pintar dibangun dengan sensor TENG untuk merasakan variasi lingkar perut pengguna selama bernafas dan mentransfer variasi periodik ke osilasi bolak-balik dari pasangan tribo TENG, sehingga sinyal listrik yang berisi informasi respirasi dapat dikeluarkan oleh TENG. Seluruh proses penginderaan tidak memerlukan sumber daya eksternal. Perangkat ini juga dilengkapi dengan chip transmisi nirkabel yang ditenagai oleh sumber eksternal untuk mewujudkan transmisi sinyal pernapasan. Informasi untuk status napas akhirnya akan ditampilkan di ponsel. Di sini, kami melaporkan penelitian tentang sensor pernapasan berbasis TENG untuk menunjukkan potensi luar biasa sebagai perangkat cerdas yang dapat dikenakan dan bertenaga mandiri untuk pemantauan pernapasan waktu nyata.
Metode
Arsitektur Sensor Respirasi
Gambar 1a menunjukkan struktur skema sensor respirasi berdasarkan mode geser TENG. Sensor pernapasan yang dapat dikenakan di pinggang dirancang untuk mendeteksi status pernapasan real-time pengguna dalam kehidupan sehari-hari, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a (i). Strategi pemantauan semacam ini tidak akan mengganggu aktivitas sehari-hari pemakainya, seperti berjalan, tidur, memasak, pekerjaan kantor, dll. Perangkat ini terdiri dari sabuk bilayer yang dapat dipakai, sensor TENG mode geser yang terpasang di sabuk, dan nirkabel sistem transmisi. Setiap lapisan sabuk bilayer, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a (ii), mencakup bagian yang tidak dapat diperpanjang yang ditandai oleh garis hitam dan bagian yang dapat dideformasi oleh garis merah. Sensor TENG dibangun di sabuk bilayer yang dapat dikenakan dengan struktur detail yang ditunjukkan pada Gambar. 1a (iii-iv). Sebuah film polytetrafluoroethylene (PTFE) dengan ketebalan 100 μm dan film nilon dengan ketebalan 30 μm digunakan sebagai bahan tribo negatif dan positif, masing-masing. Dua foil tembaga masing-masing dengan ketebalan 50 μm dipasang pada permukaan luar lapisan tribo sebagai elektroda konduktif. Dua lembar akrilik digunakan sebagai penopang untuk menjaga bahan dielektrik tetap rata. Ukuran planer perangkat TENG adalah 5 × 5 cm
2
. Perangkat TENG dilapisi selongsong plastik untuk memastikan kontak antara pasangan suku selama proses pemantauan pernapasan.
Pembuatan sensor respirasi yang dapat dikenakan di pinggang dan sistem transmisi nirkabel. a Desain skema sensor respirasi nirkabel. (i) Skema pemakaian, (ii) sketsa struktural perangkat yang dapat dikenakan, (iii) tampilan TENG yang diperluas dan (iv) ilustrasi material TENG, dan (v) modul fungsional yang terdapat dalam sistem transmisi nirkabel. b Diagram sirkuit sistem transmisi nirkabel
Struktur perangkat dirancang dengan serangkaian keunggulan yang jelas. Pertama-tama, bagian sabuk yang dapat dideformasi digunakan di sini untuk mengakomodasi ekspansi perut selama respirasi dan menawarkan kekuatan pemulihan dalam prosedur kontraksi perut selama proses inhalasi, sehingga deteksi waktu nyata dengan sinyal kontinu akan diwujudkan melalui sabuk pintar tanpa perasaan tidak nyaman dan pengaruh negatif pada aktivitas normal pengguna. Kedua, bagian sabuk yang tidak dapat diperpanjang digunakan untuk membatasi deformasi sabuk untuk memastikan bagian dari variasi lingkar perut digunakan untuk mendorong perilaku geser dari pasangan suku. Selain itu, struktur sederhana dan bahan komersial yang diadopsi dalam perangkat membuatnya berbiaya rendah dan mudah dibuat, yang dapat memfasilitasi prospek promosi yang dapat dipasarkan.
Selanjutnya, satu set modul perangkat keras dan perangkat lunak diterapkan untuk membentuk sistem transmisi nirkabel untuk transmisi sinyal, dan informasi respirasi real-time diasumsikan ditampilkan pada ponsel (Gbr. 1a (v)). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1b, modul perangkat keras, yang terdiri dari pengikut tegangan, sirkuit penambah tegangan, dan chip transmisi nirkabel, diintegrasikan ke dalam papan sirkuit. Terlihat bahwa TENG menghasilkan tegangan tinggi tetapi arus yang relatif rendah, menghasilkan impedansi keluaran yang tinggi dan mempengaruhi penerapannya dalam sistem transmisi nirkabel. Dalam hal ini, pengikut tegangan terintegrasi dalam rangkaian untuk menurunkan impedansi keluaran TENG sehingga kira-kira dapat menyamai impedansi unit transmisi nirkabel. Juga, sebagai perhatian untuk penerapan praktis, output listrik TENG dicirikan sebagai arus bolak-balik, yang nilai sinyal negatifnya tidak dapat digunakan sebagai sinyal input untuk Analog Digital Converter (ADC). Oleh karena itu, rangkaian kenaikan level listrik digunakan untuk menaikkan seluruh kurva sinyal dari tegangan keluaran TENG ke level positif agar ADC memperoleh seluruh sinyal. Chip transmisi nirkabel terdiri dari ADC, mikroprosesor, antena, dan baterai untuk menyediakan daya bagi unit. Modul perangkat lunak mencakup pengambilan sampel sinyal, pemrosesan sinyal, penyimpanan sinyal, dan unit penampil sinyal. Melalui unit sampling dan pemrosesan sinyal, sinyal yang ditransmisikan ke ponsel diubah kembali ke osilasi dengan komponen positif dan negatif, tetapi bentuk gelombang dan amplitudo sinyal tidak diubah kembali secara proporsional ke nilai asli keluaran TENG; dengan demikian, ini hanya menunjukkan tingkat respirasi. Dan melalui unit penampil sinyal dan penyimpan sinyal, sinyal yang ditransmisikan dari laju respirasi real-time disimpan dan ditampilkan secara sistematis di ponsel.
Prinsip Penginderaan dan Mekanisme Kerja
Pernapasan manusia biasanya dikategorikan menjadi pernapasan dada dan perut, dan kebanyakan dari kita menggunakan jenis pertama dalam kehidupan sehari-hari. Selama proses pernapasan dada, rongga perut secara berkala mengembang dan berkontraksi saat proses ekspirasi dan inhalasi terjadi, masing-masing, yang dapat menyebabkan peregangan dan kontraksi sabuk yang dapat dikenakan yang terpasang di sekitar pinggang. Sementara itu, pasangan tribo dipaksa untuk meluncur ke luar dan ke dalam melalui deformasi lingkar perut. Selama proses geser reciprocating, status respirasi akan diperoleh melalui sabuk pintar dengan perangkat TENG.
Gambar 2 menunjukkan mekanisme kerja sensor respirasi berdasarkan mode geser TENG. Variasi lingkar rongga perut dapat memfasilitasi geser relatif dari pasangan tribo melalui sabuk bilayer yang dapat dikenakan, menginduksi arus bolak-balik yang melewati sirkuit eksternal, yang akan ditangkap dan diperlakukan sebagai sinyal dalam pemantauan respirasi. Dalam setiap siklus kerja, akan ada empat proses:kontak intim awal, geser ke luar, jeda singkat, dan geser ke dalam. Seperti keadaan awal yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, permukaan pasangan tribo sepenuhnya tumpang tindih dan bersentuhan erat satu sama lain, dan permukaan film nilon dan film PTFE masing-masing bermuatan positif dan negatif, karena efek triboelektrik dan induksi elektrostatik. Pada tahap ini, tidak ada perilaku geser antara tribo-pair, di mana muatan permukaan berada dalam keseimbangan statis tanpa transfer muatan dalam rangkaian. Ketika pernafasan dimulai dan pasangan tribo mulai meluncur keluar dengan perluasan rongga perut (Gbr. 2b), pemisahan muatan triboelektrik akan menginduksi perbedaan potensial antara pasangan tribo. Oleh karena itu, elektron bebas akan ditransfer dari satu elektroda ke elektroda lain melalui sirkuit eksternal dan pulsa tegangan keluaran dengan amplitudo positif akan dihasilkan. Setelah pasangan tribo mencapai jarak geser maksimal selama proses pernafasan (Gbr. 2c), muatan yang ditransfer akan mencapai nilai puncaknya dan tidak akan ada lagi arus yang melalui rangkaian. Kemudian datang proses inhalasi (Gbr. 2d), di mana pasangan tribo mulai meluncur ke dalam dengan kontraksi rongga perut. Muatan yang ditransfer berlebihan pada elektroda akan mengalir kembali untuk keseimbangan elektrostatik baru dan pulsa dari tegangan output dengan amplitudo negatif akan dihasilkan. Tidak akan ada muatan yang ditransfer karena permukaan yang diisi dari pasangan tribo sepenuhnya tumpang tindih, dan perangkat TENG akan kembali ke status kontak intim seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a. Dengan cara ini, dengan terjadinya osilasi luar dan dalam yang berulang antara pasangan tribo, elektron didorong maju dan mundur di sirkuit antara dua elektroda, menciptakan keluaran arus bolak-balik.
Diagram mekanisme kerja sensor respirasi dan keempat proses kerjanya. a Proses "kontak intim":pengguna menghirup dan permukaan pasangan tribo sepenuhnya tumpang tindih. b Proses "geser ke luar":pengguna menghembuskan napas dan pasangan tribo meluncur ke luar. c Proses "jeda singkat":pengguna menghembuskan napas dan pasangan tribo meluncur ke luar secara maksimal. d Proses "geser ke dalam":pengguna menarik napas dan pasangan tribo meluncur ke dalam
Sistem Pengukuran
Performa keluaran listrik dari sensor respirasi direkam oleh elektrometer sistem Keysight B2983A.
Hasil dan Diskusi
Untuk aplikasi klinis, tingkat pernapasan dapat memberikan informasi penting untuk peringatan dini dan diagnosis yang cepat dari penyakit pernapasan seperti OSAS. Sensor respirasi nirkabel yang dapat dikenakan di pinggang diusulkan dalam makalah ini untuk menawarkan strategi alternatif untuk memantau respirasi real-time dengan merasakan variasi lingkar perut dalam proses pernapasan dan menampilkan sinyal nirkabel pada ponsel. Konfigurasi perangkat berisi sabuk bilayer yang dapat dikenakan, sensor TENG mode geser yang terpasang di sabuk, dan sistem transmisi nirkabel. Dan penerapan, portabilitas, dan akurasi perangkat telah divalidasi melalui analisis teoretis, uji mekanis, dan uji waktu nyata oleh sukarelawan.
Prediksi Teoretis
Pertama, model analitik dibuat untuk memprediksi kinerja keluaran TENG dan memvalidasi kemungkinan perangkat sebagai sensor pemantauan pernapasan. Uji waktu nyata dilakukan untuk menguji keakuratan model analitik. Selanjutnya, korelasi antara sinyal listrik dari sensor dan eksitasi mekanis input ditetapkan dan diselidiki oleh model teoretis, yang memberikan pemahaman yang lebih baik tentang mekanisme kerja sensor. Untuk tujuan tersebut, fungsi teoritis diusulkan untuk mensimulasikan proses pernapasan, yang melibatkan tahap ekspirasi dan inhalasi. Pada tahap pernafasan, rongga perut mengembang dan pasangan tribo meluncur keluar sehingga perpindahan x(t) dari pasangan suku meningkat secara bertahap dari nol menjadi A . Maka pasangan suku tetap menjadi perpindahan maksimum A sampai proses inhalasi. Pada tahap inhalasi, rongga perut berkontraksi dan pasangan tribo mulai meluncur ke dalam, sehingga perpindahan x(t) menurun secara bertahap dari A ke nol. Setelah itu, pasangan suku tetap menjadi perpindahan nol sampai siklus pernapasan berikutnya. Menurut regulasi variasi x(t) dalam domain waktu, eksitasi untuk perangkat diasumsikan sebagai gelombang trapesium (Gbr. 3a), yang dinyatakan sebagai:
$$ x(t)=\left\{\begin{array}{c}{v}_1t\\ {}A\\ {}A-{v}_2t\\ {}0\end{array}\kern0 .75em \begin{array}{c}0
dimana T adalah periodenya, η adalah rasio waktu pernafasan dengan seluruh periode T , v1 dan v2 adalah kecepatan geser ke luar dan ke dalam, masing-masing. Selanjutnya, tegangan keluaran V (t ) dihitung menurut teori mode geser TENG sebagai berikut [35, 36]: $$ {\displaystyle \begin{array}{l}V(t)=\frac{\sigma {d}_0}{\varepsilon_0}\left[\frac{l}{lx(t)}\exp \left (-\frac{d_0}{\varepsilon_0 RS}{\int}_0^t\frac{l}{lx(t)}d{t}^{\prime}\right)\right.\\ {}\ kern1.5em \left.+\frac{d_0}{\varepsilon_0 RS}\frac{l}{lx(t)}{\int}_0^t\exp \left(\frac{d_0}{\varepsilon_0 RS} {\int}_t^{t^{\prime }}\frac{l}{lx\left(\delta \right)} d\delta \right)d{t}^{\prime }-1\right] \end{array}} $$ (2)
dimana d0 = d1 /εr 1 + d2 /εr 2 adalah ketebalan efektif dengan d1 (d2 ) dan εr 1 (εr 2 ) masing-masing menyatakan ketebalan dan konstanta dielektrik relatif dari lapisan dielektrik, ε0 konstanta dielektrik vakum, kerapatan muatan permukaan, R resistensi beban, dan S luas pelat dielektrik.
Korelasi antara gerakan fisik saat bernafas dan tegangan keluaran dari sensor TENG. a Bentuk perpindahan trapesium yang diasumsikan untuk prediksi teoretis. b Perbandingan prediksi teoritis dan hasil eksperimen
Sebuah perangkat digunakan sebagai kasus untuk memvalidasi model elektromekanis secara teoritis, dengan parameter sifat fisik dan proses pembebanan digambarkan pada Tab. 1. Riwayat waktu dari tegangan keluaran yang dihitung ditunjukkan oleh garis biru pada Gambar 3b, sedangkan sinyal tegangan yang diukur ditunjukkan oleh garis merah. Kesepakatan yang sangat baik diamati antara prediksi teoretis dan sinyal yang diukur, menunjukkan bahwa model analitik akurat untuk memprediksi output listrik perangkat dalam proses pernapasan. Selanjutnya, pulsa tegangan dari sinyal respirasi yang diprediksi menunjukkan konsistensi dengan proses inhalasi dan ekshalasi. Sinyal naik dan turun, berperilaku dengan sinyal positif dan negatif dengan terjadinya proses pernafasan dan inhalasi, masing-masing. Dan itu juga dapat digunakan untuk desain optimal dari sensor respirasi berbasis TENG dalam parameter struktural untuk meningkatkan kinerja dan sensitivitas.
Karakteristik Keluaran
Pengujian mekanis telah dilakukan untuk menyelidiki pengaruh perpindahan geser dari pasangan-tribo pada sinyal tegangan keluaran perangkat. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a, kedua ujung pasangan tribo dipasang pada mesin peregangan dan pasangan tribo dipaksa melakukan osilasi geser bolak-balik secara berkala melalui mesin peregangan untuk mensimulasikan gerakan pasangan tribo dalam respirasi proses. Sementara itu, riwayat waktu perpindahan geser dan gaya traksi pada proses peregangan dicatat untuk dibandingkan dengan sinyal tegangan yang diukur oleh voltmeter dengan hambatan beban pada rangkaian listrik 11 MΩ. Pada pengujian mekanik digunakan eksitasi gelombang trapesium dengan frekuensi 0,5 Hz dan amplitudo perpindahan dari 2,5 sampai 30 mm. Gambar 4b menunjukkan riwayat waktu tegangan keluaran oleh garis merah dan riwayat waktu perpindahan geser yang sesuai dengan amplitudo 30 mm dan gaya traksi masing-masing oleh garis hijau dan biru. Pada tahap I, sementara perpindahan antara pasangan tribo meningkat dengan gaya traksi mesin, pulsa positif dari tegangan keluaran ditangkap. Dan pada tahap II, tegangan keluaran menunjukkan sinyal yang berlawanan sementara gaya traksi secara bertahap dibatalkan dan perpindahan berkurang. Karakteristik periodik dari sinyal tegangan sangat cocok dengan perpindahan geser dan gaya traksi dari eksitasi mekanis pengaturan, yang menunjukkan kelayakan sensor TENG untuk pemantauan napas waktu nyata. Selanjutnya, sinyal tegangan yang diperoleh jelas bervariasi di bawah amplitudo geser yang berbeda dari 2,5 sampai 30 mm (Gbr. 4c), yang memungkinkan untuk menyelidiki efek amplitudo perpindahan (yaitu, kedalaman pernapasan). Kecenderungan variasi tegangan puncak versus amplitudo perpindahan digambarkan pada Gambar. 4d. Jelas, tegangan puncak meningkat secara linier dengan amplitudo perpindahan dan hubungan variasi dapat digambarkan sebagai berikut:
dimana Vpuncak adalah nilai puncak dari tegangan keluaran dan Xmaks berarti perpindahan geser maksimum dari pasangan-suku. Peraturan dalam Persamaan. (3) mengungkapkan hubungan antara tegangan puncak dan eksitasi perpindahan perangkat dengan rentang yang berlaku “2,5 mm≤ Xmaks 30 mm”, yang memberikan dasar bagi kita untuk mempelajari pengaruh lingkar perut pada tegangan puncak dan sesuai dalam memprediksi tegangan puncak sensor dalam proses pernapasan. Di sisi lain, Gambar 4d juga mengilustrasikan bahwa sinyal listrik yang berguna dari sensor dapat ditangkap dengan amplitudo gaya traksi dan perpindahan geser sekecil 3,09 N dan 2,5 mm, yang berarti perangkat dapat dengan mudah digerakkan oleh variasi lingkar perut tanpa menimbulkan perasaan tidak nyaman bagi pengguna.
Tes mekanis pada sensor respirasi berbasis TENG. a Foto sensor TENG yang dipasang pada mesin peregangan. b Sinyal tegangan keluaran sensor di bawah eksitasi dalam bentuk trapesium dan riwayat waktu yang sesuai dari perpindahan dan gaya geser. c Sejarah waktu tegangan keluaran sensor dengan amplitudo perpindahan yang berbeda. d Nilai puncak tegangan keluaran dan gaya traksi sebagai fungsi perpindahan geser maksimum
Pemantauan Respirasi
Untuk memverifikasi kelayakan perangkat yang berfungsi sebagai sensor respirasi, serangkaian tes pemantauan waktu nyata dilakukan (Gbr. 5a), dan sinyal listrik diukur melalui voltmeter dengan hambatan beban di sirkuit listrik 100 MΩ . Selama proses pernapasan, sabuk perangkat dijaga agar tetap sesuai dengan pinggang pengguna, dan variasi keadaan perut pengguna dicerminkan oleh osilasi geser bolak-balik berkala dari pasangan-suku. Dengan sukarelawan menghembuskan dan menghirup secara berkala, sinyal tegangan keluaran termasuk pulsa dengan amplitudo positif dan negatif muncul. Dalam aplikasi yang sebenarnya, sinyal listrik yang ditangkap dapat berisi lebih banyak informasi yang berkaitan dengan proses pernapasan, yaitu laju pernapasan dan proses inhalasi atau pernafasan, dll. Dengan menggambarkan korelasi antara variasi periodik sinyal tegangan dan mekanisme kerja respirasi. sensor, akan lebih akurat untuk mengekstrak informasi rinci pernapasan dari sinyal yang diukur. Jadi, kami mengambil satu siklus pernapasan dari pengujian waktu nyata sebagai contoh untuk menggambarkan korelasi (Gbr. 5b). Ketika suatu gaya diberikan pada proses pernafasan, pasangan tribo meluncur keluar dan menghasilkan pulsa tegangan keluaran dengan amplitudo positif sesuai dengan deteksi untuk proses pernafasan. Kemudian bersamaan, ketika gaya yang diberikan dicabut secara bertahap dalam proses inhalasi, pasangan tribo meluncur ke dalam dan menghasilkan pulsa tegangan output dengan amplitudo negatif sesuai dengan deteksi untuk proses inhalasi. Berdasarkan analisis di atas, sinyal tegangan dapat digunakan untuk memberikan pemahaman yang mendalam tentang proses pernapasan.
Sensor pernapasan TENG mode geser untuk memantau ritme pernapasan yang berbeda. a Foto sensor TENG yang dikenakan di pinggang untuk pemantauan pernapasan. b Korespondensi antara sinyal tegangan keluaran dan proses menghembuskan dan menghirup dalam satu siklus pernapasan. c , d Riwayat waktu sinyal tegangan keluaran untuk dua sukarelawan dengan lingkar pinggang yang berbeda (72,8 cm untuk c dan 98.6 cm untuk d ) dan hasil FFT yang sesuai untuk ritme pernapasan yang berbeda
Selanjutnya, dua sukarelawan, satu berusia 22 tahun dengan lingkar pinggang 72,8 cm dan lainnya berusia 24tahun dengan lingkar pinggang 98,6 cm, diundang untuk menguji kemampuan sabuk pintar dalam mencerminkan perilaku napas spesifik dari individu yang berbeda. Untuk menguji sensitivitas alat terhadap tingkat pernapasan yang berbeda, proses pernapasan yang ditawarkan oleh para sukarelawan melibatkan tiga ritme pernapasan yang berbeda, yaitu napas normal, cepat, dan dalam. Selama proses pernapasan dengan ritme yang berbeda, sinyal listrik yang dihasilkan oleh sensor TENG berhasil dideteksi dan ditunjukkan pada Gambar 5c dan d untuk kedua sukarelawan. Sinyal tegangan dapat diulang dan dapat diandalkan untuk setiap ritme, yang menunjukkan perbedaan yang jelas dari laju pernapasan dalam proses pernapasan. Sejarah waktu dari tegangan keluaran (Gbr. 5c dan d) untuk dua sukarelawan masing-masing menunjukkan variasi yang stabil (frekuensi konstan dan nilai lembah puncak) dalam proses tiga ritme pernapasan. Dicerminkan oleh hasil transformasi Fourier cepat (FFT) pada Gambar. 5c dan d, frekuensi yang diekstraksi dari napas normal, cepat, dan dalam adalah 0,68, 1,10, dan 0,40 Hz, masing-masing untuk sukarelawan berusia 22 tahun dan 0,60 , 1,40, dan 0,47 Hz untuk yang berusia 24 tahun; itu adalah tingkat pernapasan yang wajar untuk orang dewasa yang sehat [37]. Ini berarti bahwa informasi kunci dari tingkat pernapasan dapat dikumpulkan melalui sinyal listrik. Di sisi lain, dua sukarelawan dalam tes diminta menahan napas untuk mensimulasikan jeda pernapasan yang disebabkan oleh gejala apnea. Sejalan dengan itu, ditunjukkan pada Gambar. 5c dan d bahwa sinyal dengan nilai nol volt bertahan sekitar 10 detik di antara dua ritme pernapasan yang berbeda. Ini dapat digunakan sebagai dasar penilaian untuk OSAS dan penyesuaian lebih lanjut untuk diagnosis dan peringatannya. Hasil ini menunjukkan bahwa sensor TENG ini tidak hanya dapat mendeteksi laju pernapasan tetapi juga gejala apnea.
Selain itu, serangkaian tes waktu nyata dilakukan oleh sukarelawan di berbagai negara bagian untuk memastikan kepraktisan perangkat dalam aktivitas sehari-hari yang berbeda. Sinyal tegangan diukur melalui voltmeter dengan resistansi beban 100 MΩ di tiga keadaan berbeda, yaitu, berbaring (kasus I pada Gambar 6a), duduk (kasus II pada Gambar 6b), berdiri (kasus III pada Gambar 6c) , dan berjalan dengan kecepatan 3 km/jam (kasus IV pada Gambar 6d). Gambar 6a menunjukkan sinyal tegangan yang diperoleh dengan sukarelawan berbaring untuk mensimulasikan keadaan pernapasan selama tidur, sementara Gambar 6b-d menyajikan sinyal tegangan yang ditangkap dengan sukarelawan duduk, berdiri, dan berjalan, masing-masing untuk mensimulasikan proses pernapasan dalam aktivitas siang hari . Semua sinyal dari kasus I-IV menunjukkan pulsa voltase yang stabil dan berlanjut sesuai dengan variasi lingkar perut selama pernapasan, yang bertepatan dengan proses inhalasi dan ekshalasi yang sebenarnya. Dan laju pernapasan masing-masing terdeteksi 0,54 Hz untuk kasus I, 0,52 Hz untuk kasus II, 0,72 Hz untuk kasus III, dan 0,65 Hz untuk kasus IV. Perlu dicatat bahwa ada beberapa kegugupan yang ada dalam bentuk gelombang sinyal saat berjalan di Gambar 6d, tetapi fungsi untuk memantau ritme pernapasan masih dapat dicapai. Pengujian dalam empat kasus menunjukkan kelayakan sensor pernapasan sebagai perangkat yang dapat dikenakan untuk pemantauan pernapasan waktu nyata dalam berbagai aktivitas dalam kehidupan sehari-hari. Selanjutnya, kami melakukan pemantauan respirasi terus menerus dalam waktu lama selama 180 detik dan sinyal yang terdeteksi disajikan dalam File tambahan 1:Gambar S1. The time histories of the output voltage exhibit stable alteration with the breathing processes during the tests, which demonstrate the stability of the TENG sensor for long-time monitoring in practical applications.
The TENG sensor for real-time respiration monitoring in different daily activities. The captured voltage signals and the corresponding testing photographs in processes of respiration monitoring when volunteer is (a ) lying, (b ) sitting, (c ) standing, and (d ) walking at a speed of 3 km/h
To further improve the portability of the device as a wearable respiration sensor, a wireless transmission system was designed for the exhibition of the breathing information on a mobile electronic equipment. Specifically, a real-time monitoring test equipped with the wireless transmission system proposed in Fig. 1b was carried out and the electrical signals generated by the TENG sensor were wirelessly transmitted and displayed on a cell phone. Figure 7a shows the actual setup of the wireless transmission system and Fig. 7b shows the signal waveforms containing breathing information displayed on the phone via the wireless transmission system. The measured respiratory information of the volunteer in Fig. 7b have been further processed on a PC and shown in Fig. 7c for better viewing. The depicted waveforms in Fig. 7c suggest that the respiratory rate is about 0.625 Hz. And the exhalation and the inhalation stages of the breathing process are identified and marked in Fig. 7c, which indicates the perfect reflection of the electric signals displayed on the phone to the actual respiratory status and the reliability and practicality of the wireless transmission system. To further demonstrate the accuracy of the wireless signals, voltmeter signals (with electrical load resistance of 10 MΩ) after TENG and wireless signals after wireless system were captured in the same breathing test and compared in Additional file 1:Figure S2. It is worth to be mentioned that the amplitude of the wireless signals is not the true value of the output voltage of the TENG sensor, but being processed proportionally. On the one hand, the signal width of the wireless signals is much wider than the voltmeter signals, which can be attributed to a comprehensive outcome of the larger input impedance of voltage follower (100 TΩ) in the wireless transmission chip, the existing load loss of the circuit and the low sampling rate which make the signals distorted slightly. On the other hand, though the waveform and the peak value are changed after the wireless system, the information about the breathing cycle delivered by the wireless signals coincides well with that of the voltmeter signals, which means that the respiratory rates can be correctly reflected by the signals obtained from the wireless transmission chip.
Real-time respiration monitoring via the TENG sensor with the wireless transmission system. a Photograph of the actual setup of the wireless transmission system. b Photograph of volunteer’s real-time breathing signals displayed on a mobile phone. c The respiratory waveform depicted with the data stored by the wireless transmission system
Kesimpulan
In summary, we have designed and fabricated a waist-wearable wireless respiration sensor to monitor real-time respiratory status of humans in daily life and to transmit the breathing information to a mobile cell via a wireless transmission system. We furtherly illustrated its working mechanism in detail that it senses the variation of the abdominal circumference while breathing and output electrical signals containing rhythm information of the respiratory processes. In this study, theoretical analyses were performed to predict the output signals of the TENG and validate the possibility of the TENG to work as a respiration sensor. It was also demonstrated by a mechanical test that the sensor can be easily driven by a sliding displacement with an amplitude of 2.5 mm, which makes it feasible for use as a wearable sensor. To validate the applicability in reality, we carried out a series of tests by two volunteers to investigate the feasibility, accuracy, and sensitivity of the device to different individuals, different breathing rhythms, and different active states. The device was demonstrated applicable for not only the detection of apnea symptom but also the real-time monitoring of breath. Lastly, the wireless transmission system of the sensor was also proved to be efficient in wireless electrical signal transmission. Results stated above have shown the potential of the proposed sensor as a smart wearable respiration sensor and the household healthcare monitoring system comprehensively.
Ketersediaan Data dan Materi
The data and materials used are included in the manuscript.
