Nanogenerator Triboelektrik Nirkabel Dapat Dipakai untuk Pemantasan Nafas Real-Time
Abstrak
Frekuensi napas adalah biomarker kritis untuk mendeteksi gangguan pernapasan seperti apnea tidur obstructif dan fibrosis kistik. Monitor klinis konvensional besar dan tidak cocok untuk penggunaan sehari-hari, sementara perangkat kesehatan seluler memerlukan solusi ringan dan bebas daya. Kami menyajikan nanogenerator triboelektrik (TENG) nirkabel yang dapat dipakai di pinggang yang merasakan perubahan lingkar perut untuk menghasilkan sinyal listrik sendiri daya. Pemodelan teoretis, pengujian mekanik, dan uji sukarelawan mengonfirmasi bahwa perangkat secara akurat melacak laju napas di seluruh ritme yang berbeda, status aktivitas, dan ukuran tubuh, sambil menyampaikan data secara nirkabel ke ponsel pintar. Ini menunjukkan alternatif praktis dan berbiaya rendah untuk pemantasan napas kontinu dalam kehidupan sehari-hari.
Pendahuluan
Kualitas udara yang menurun secara global dan populasi yang verganda meningkatkan prevalensi penyakit pernapasan. Pemantasan napas yang kontinu dan non-invasif dapat memberikan peringatan dini untuk kondisi seperti sindrom apnea tidur obstructif (OSAS) dan fibrosis kistik. Peralatan pemantasan tradisional seringkali rumit, memerlukan daya eksternal, dan tidak cocok untuk penggunaan jangka panjang di rumah. Kemajuan terbaru dalam jaringan seluler dan elektronik hemat daya telah memicu minat pada sensor kesehatan wearable yang fleksibel. Nanogenerator triboelektrik (TENG) ideal untuk aplikasi ini: mereka ringan, menghasilkan energi padat tinggi, dan aman untuk kontak kulit. Banyak perangkat berbasis TENG telah dikembangkan untuk detak jantung, nadi, dan pemantasan fisiologis umum, namun sedikit yang menargetkan napas.
Karya kami memperkenalkan panggung pintar yang memanfaatkan ekspansi dan kontraksi alami perut selama napas. Panggung berisi TENG mode geser yang mengubah deformasi mekanik menjadi tegangan bergantian tanpa daya eksternal. Sinyal difilter, dikonversi digital, dan ditransmisikan melalui modul nirkabel ke ponsel pintar, menyediakan data napas real-time.
Metode
Arsitektur Perangkat
Sistem wearable terdiri dari panggung berlapis dua, TENG mode geser, dan modul transmisi nirkabel. Lapisan panggung yang tidak dapat meregang dan dapat bereformasi memungkinkan geser terkontrol dari pasangan triboelektrik TENG sambil mempertahankan kenyamanan. TENG menggunakan film PTFE 100 µm (material tribo-negatif) dan film nylon 30 µm (material tribo-positif) dengan elektroda tembaga 50 µm. Perangkat 5 × 5 cm tertutup dalam selubung plastik untuk memastikan kontak yang konsisten selama napas.
Output tegangan direkam dengan elektrometer Keysight B2983A. Output impedansi tinggi TENG memerlukan pengikut tegangan untuk mencocokkan input modul nirkabel dan sirkuit perpindahan level untuk mengubah sinyal bipolear menjadi unipolar untuk konversi ADC.
Prinsip Pemantasan
Napas menginduksi perpindahan trapesium lingkar perut. Perpindahan ini mendorong pasangan triboelektrik untuk meluncur keluar selama exhale dan ke dalam selama inhale, menghasilkan gelombang tegangan sinus. Empat tahap—kontak intim, luncuran keluar, jeda, dan luncuran ke dalam—berkorrespondensi dengan siklus napas.
Gambar 2. Mekanisme kerja dan empat tahap gerak TENG mode geser.
Model Teoretis
Kami memodelkan perpindahan x(t) sebagai gelombang trapesium dan menurunkan output tegangan V(t) menggunakan teori TENG yang established. Model memprediksi hubungan linier antara tegangan puncak dan amplitudo luncuran, divalidasi oleh eksperimen (Eq. 3: V_peak = 0,01383 X_max + 0,0092).
Hasil dan Pembahasan
Validasi Model
Prediksi analitis cocok dekat dengan tegangan yang diukur selama napas simulasi, mengonfirmasi akurasi model dan membimbing optimasi desain.
Pengujian Mekanik
Menggunakan mesin peregangan, kami memvariasi amplitudo luncuran dari 2,5 hingga 30 mm pada 0,5 Hz. Output tegangan meningkat linier dengan perpindahan, dengan tegangan puncak 1,2 V pada 30 mm. Bahkan perpindahan 2,5 mm menghasilkan sinyal yang terukur, menunjukkan kesesuaian untuk napas manusia.
Gambar 4. (a) Sensor pada stretcher. (b) Tegangan vs. perpindahan dan gaya. (c) Tegangan pada amplitudo yang berbeda. (d) Tegangan puncak dan gaya vs. perpindahan.
Pemantasan Real-Time
Uji sukarelawan di seluruh posisi berbaring, duduk, berdiri, dan berjalan menunjukkan pulsa tegangan stabil yang sesuai dengan napas. Laju napas bervariasi dari 0,54 Hz (berbaring) hingga 0,72 Hz (berdiri). Analisis FFT mengonfirmasi ekstraksi frekuensi yang akurat untuk napas normal, cepat, dan dalam. Jeda apnea 10 detik juga terdeteksi, menunjukkan potensi untuk saringan OSAS.
Gambar 6. Sinyal tegangan selama berbagai aktivitas: (a) berbaring, (b) duduk, (c) berdiri, (d) berjalan.
Transmisi Nirkabel
Modul nirkabel, yang didayai oleh baterai kecil, mengkonversi output TENG menjadi digital dan mentransmisikannya melalui Bluetooth ke ponsel pintar. Meskipun amplitudo sinyal terattenuasi karena impedansi input tinggi dan laju sampling, gelombangnya mewakili siklus napas dengan setia dan memungkinkan perhitungan laju napas yang akurat.
Gambar 7. (a) Pengaturan sistem nirkabel. (b) Tampilan ponsel pintar gelombang napas. (c) Sinyal napas yang diproses.
Kesimpulan
Kami telah membuat panggung pinggang ringan dan bebas baterai yang mengubah napas perut menjadi sinyal listrik yang dapat diukur menggunakan TENG mode geser. Perangkat secara akurat melacak laju napas di seluruh aktivitas yang beragam, mendeteksi peristiwa apnea, dan menyampaikan data secara nirkabel ke perangkat seluler. Biaya rendah, kesederhanaan, dan sensitivitas tinggi menjadikannya platform yang menjanjikan untuk pemantasan napas kontinu di rumah dan deteksi dini penyakit.
