Een draagbare tribo-elektrische nanogenerator voor realtime bewaking van de ademhaling

Abstract

Als betrouwbare indicator van de menselijke fysiologische gezondheid wordt de ademhalingsfrequentie in steeds meer gevallen gebruikt voor de voorspelling en diagnose van mogelijke ademhalingsaandoeningen en de ademhalingsdisfunctie veroorzaakt door cystische fibrose. In vergelijking met slimme mobiele elektronica zijn traditionele klinische ademhalingsbewakingssystemen echter niet handig om te werken als een huishoudelijk draagbaar apparaat voor realtime ademhalingsbewaking in het dagelijks leven vanwege de omslachtige structuur, complexe bediening en afhankelijkheid van externe stroombronnen. Daarom stellen we een draagbare draadloze ademhalingssensor voor op basis van een tribo-elektrische nanogenerator (TENG) met laterale glijdende modus om de ademhalingsfrequenties te bewaken door de variatie van de buikomtrek te detecteren. In dit artikel valideren we de mogelijkheid van het apparaat als een ademhalingsbewakingssensor via een gevestigd theoretisch model en onderzoeken we de uitvoerprestaties van de sensor via een reeks mechanische tests. Verder zijn de toepassingen van de ademhalingssensor bij verschillende individuen, verschillende ademhalingsritmes, verschillende actieve toestanden en draadloze transmissie geverifieerd door veel vrijwilligerstests. Alle resultaten demonstreren het potentieel van de voorgestelde draagbare sensor als een nieuw alternatief voor het detecteren en bewaken van realtime ademhalingsfrequenties met algemene toepasbaarheid en gevoeligheid.

Inleiding

Samen met de wereldwijde verslechtering van het klimaat, toenemende ernstige luchtvervuiling en de neiging tot verergering van de vergrijzing, wordt de menselijke gezondheid, met name de gezondheid van de luchtwegen, aan steeds meer bedreigingen blootgesteld [1,2,3]. Ondertussen wordt de monitoring van de fysieke gezondheid van de mens de focus van de aandacht voor het voorkomen van latente ziekten [4,5,6,7]. Ademhalingsfrequentie, als een van de belangrijkste en meest betrouwbare indicatoren die de menselijke fysiologische gezondheid direct weerspiegelen, kan belangrijke informatie opleveren voor de voorspelling en diagnose van mogelijke aandoeningen van de luchtwegen, zoals obstructief slaapapneusyndroom (OSAS) en de ademhalingsdisfunctie veroorzaakt door cystische fibrose [8, 9,10,11]. Er zijn verschillende traditionele medische apparatuur gebruikt voor het bewaken van de ademhalingsstatus, en er zijn ook buitengewone inspanningen geleverd om technologieën te ontwikkelen voor innovatieve ademhalingsbewaking. Ondanks de grote klinische toepasbaarheid en bewakingsnauwkeurigheid, beperken de omslachtige structuur, complexe bediening, afhankelijkheid van externe stroombronnen en slechte draagbaarheid hun verdere ontwikkeling als slimme mobiele medische elektronica. In de afgelopen jaren hebben de vorderingen op het gebied van mobiele netwerken en elektronica met een laag vermogen de intelligente mobiele medische apparaten in een enorm tempo aangedreven en hebben ze een toenemende belangstelling gewekt voor huishoudelijke gezondheidszorg en flexibele draagbare elektronica [6, 12,13,14,15,16, 17,18]. Daarom is er alom vraag naar de batterijloze draagbare zorgsensoren met een groot potentieel voor ademhalingsmonitoring, op een slimme manier.

Vergeleken met sommige relatief volwassen bio-energieopruimingstechnologieën zoals elektromagnetische [19, 20] en piëzo-elektrische [21,22,23,24,25], tribo-elektrische nanogeneratoren (TENG's) [26,27,28,29,30], met de verdiensten van lichtgewicht, hoge energiedichtheid en hoge detectiegevoeligheid, hebben een beter potentieel in toepassingen als oogstmachines voor bio-energie, draagbare elektronica en zelfaangedreven apparaten voor gezondheidsbewaking. Bovendien zijn de op TENG gebaseerde energieoogstmachines beter in staat om bio-energie op te vangen in een werkomgeving met een frequentieband van minder dan 10 Hz, zoals menselijke adem [31, 32], en de materialen die voor TENG's worden gebruikt, zijn loodvrij en kunnen veilig worden gebruikt voor sensoren in de gezondheidszorg. Daarom is TENG ongetwijfeld een van de beste keuzes voor draagbare en zelfaangedreven ademhalingsbewakingsapparatuur. Om te voldoen aan de toenemende vraag naar draagbare en zelfaangedreven gezondheidsbewakingstechnologie, zijn er veel nieuwe TENG-gebaseerde sensoren ontwikkeld om de menselijke fysiologische status te bewaken. Lin et al. stelde een zelfaangedreven draadloos lichaamssensornetwerk (BSN) voor voor hartslagmonitoring via integratie van een op donzige structuur gebaseerde TENG (D-TENG), een stroombeheercircuit, een op TENG gebaseerde hartslagsensor, een signaalverwerkingseenheid en een Bluetooth-module voor draadloze gegevensoverdracht in 2018 [13]. P. Maharjan et al. ontwierp in 2018 een nieuwe, kromme, draagbare, gehybridiseerde elektromagnetische-TENG (WHEM-TENG) die werkte als een elektronisch polshorloge, aangedreven door biomechanische energie afkomstig van een zwenkarm, waarvan ook werd aangetoond dat het een pulssignaal en hartslagmonitoring levert [ 17]. Chen et al. rapporteerde in 2017 een flexibele hybride nanogenerator van piëzo-elektrische en tribo-elektrische eigenschappen die conform kan worden bevestigd op zachte oppervlakken zoals de menselijke huid om diversiteitsaanrakingsenergieën te oogsten op basis van elektrospun nanovezelmat en de realtime fysiologische signalen zoals ademhalingsinformatie en radiale slagaderpuls te volgen [ 33]. Cu et al. rapporteerde in 2018 een pulssensor op basis van een enkele elektrode TENG met hoge flexibiliteit en comfort voor de menselijke huid, waarmee een typische menselijke pulsgolfvorm die de radiale slagaderdrukgolf vertegenwoordigt, met succes kan worden verkregen [34]. De bovengenoemde werken hebben de ontwikkeling van op TENG gebaseerde draagbare en zelfaangedreven intelligente apparaten in menselijke fysieke monitoring enorm gestimuleerd.

De variatie van de buikomtrek is een natuurlijk fysiek gedrag van de mens tijdens het ademhalingsproces, zodat het vastleggen van informatie van buikvervormingen een gevoelsbenadering is en geen negatief effect heeft op de normale activiteiten van mensen, wat ook een mogelijke energiebron kan zijn door biokinetische energie op te vangen . In dit artikel stellen we een geïntegreerde, in de taille draagbare draadloze ademhalingssensor voor op basis van glijdende modus TENG, met tegelijkertijd de voordelen van draagbaarheid, mobiliteit en intelligentie. Het kan worden toegepast bij verschillende dagelijkse activiteiten voor continue real-time bewaking van de ademhaling en OSAS-detectie zonder nadelige invloed op de normale functie van het apparaat of nadelige invloed op de dagelijkse activiteiten van de gebruiker. Er is een slimme riem gebouwd met de TENG-sensor om de variatie van de buikomtrek van de gebruiker tijdens het ademen waar te nemen en de periodieke variatie over te dragen naar de heen en weer gaande oscillatie van het tribo-paar van de TENG, zodat de elektrische signalen met ademhalingsinformatie kunnen worden uitgevoerd door de TENG. Het hele detectieproces heeft geen externe stroombron nodig. Het apparaat is ook uitgerust met een draadloze transmissiechip die wordt aangedreven door een externe bron om de transmissie van het ademhalingssignaal te realiseren. De informatie voor de ademstatus wordt uiteindelijk weergegeven op een mobiele telefoon. Hier rapporteren we het onderzoekswerk naar de op TENG gebaseerde ademhalingssensor om zijn uitstekende potentieel te laten zien als een mogelijk intelligent draagbaar en zelfaangedreven apparaat voor realtime ademhalingsbewaking.

Methoden

Architectuur van de ademhalingssensor

Figuur 1a toont de schematische structuur van de ademhalingssensor op basis van glijdende modus TENG. De in de taille draagbare ademhalingssensor is ontworpen om de realtime ademhalingsstatus van de gebruiker in het dagelijks leven te detecteren, zoals weergegeven in figuur 1a (i). Dit soort monitoringstrategie verstoort de dagelijkse activiteiten van de drager niet, zoals wandelen, slapen, koken, kantoorwerk, enz. Het apparaat bestaat uit een draagbare dubbellaagse riem, een TENG-sensor met glijdende modus die in de riem is ingebouwd en een draadloze transmissiesysteem. Elke laag van de dubbellaagse riem, zoals weergegeven in figuur 1a (ii), omvat een niet-uitrekbaar deel dat wordt aangegeven door de zwarte lijn en een vervormbaar deel door de rode lijn. De TENG-sensor is ingebouwd in de draagbare dubbellaagse riem met de gedetailleerde structuur die wordt getoond in figuur 1a (iii-iv). Een polytetrafluorethyleen (PTFE) film met een dikte van 100 m en een nylon film met een dikte van 30 m worden gebruikt als respectievelijk de negatieve en positieve tribo-materialen. Op de buitenoppervlakken van de tribo-lagen zijn als geleidende elektroden twee koperfolies met elk een dikte van 50 m aangebracht. Twee acrylplaten worden gebruikt als dragers om de diëlektrische materialen plat te houden. De schaafmaat van het TENG-apparaat is 5 × 5 cm² . Het TENG-apparaat is gecoat in een plastic hoes om het contact tussen het tribo-paar tijdens het ademhalingsbewakingsproces te verzekeren.

Fabricage van de in de taille draagbare ademhalingssensor en het draadloze transmissiesysteem. een Schematisch ontwerp van de draadloze ademhalingssensor. (i) Schema voor het dragen, (ii) structurele schets van het draagbare apparaat, (iii) uitgebreide weergave van de TENG en (iv) materiële illustratie van de TENG, en (v) Functionele modules in het draadloze transmissiesysteem. b Het schakelschema van het draadloze transmissiesysteem

De structuur van het apparaat is ontworpen met een reeks duidelijke voordelen. Allereerst worden hier de vervormbare delen van de riem gebruikt om de uitzetting van de buik tijdens de ademhaling op te vangen en de herstellende kracht te bieden in de samentrekking van de buik tijdens het inademingsproces, zodat de realtime detectie met continu signaal zal zijn gerealiseerd via de slimme riem zonder ongemakkelijke gevoelens en negatieve invloed op de normale activiteiten van de gebruiker. Ten tweede worden de niet-uitrekbare delen van de riem gebruikt om de vervorming van de riem te beperken om ervoor te zorgen dat een deel van de variatie in de buikomtrek wordt gebruikt om het glijgedrag van het tribo-paar aan te sturen. Ook maken de eenvoudige structuur en de commerciële materialen die in het apparaat zijn gebruikt het goedkoop en gemakkelijk te fabriceren, wat het verkoopbare promotievooruitzicht kan vergemakkelijken.

Verder wordt een set hardware- en softwaremodules toegepast om een draadloos transmissiesysteem voor signaaloverdracht te vormen, en wordt aangenomen dat de informatie van de realtime ademhaling wordt weergegeven op een mobiele telefoon (Fig. 1a (v)). Zoals weergegeven in figuur 1b, is de hardwaremodule, bestaande uit een spanningsvolger, een spanningsstijgend circuit en een draadloze transmissiechip, geïntegreerd in een printplaat. Opgemerkt wordt dat de TENG een hoge spanning maar een relatief lage stroom afgeeft, wat resulteert in een hoge uitgangsimpedantie en de toepasbaarheid in het draadloze transmissiesysteem beïnvloedt. In dit opzicht is de spanningsvolger geïntegreerd in het circuit om de uitgangsimpedantie van de TENG te verlagen, zodat deze ongeveer overeenkomt met die van de draadloze transmissie-eenheid. Als zorg voor praktische toepasbaarheid wordt de elektrische uitgang van de TENG ook gekarakteriseerd als wisselstroom, waarvan de negatieve signaalwaarden niet kunnen worden gebruikt als het ingangssignaal voor de analoog-digitaalomzetter (ADC). Daarom wordt het elektrische niveau-stijgende circuit gebruikt om de hele signaalcurve van de uitgangsspanning van de TENG te verhogen tot een positief niveau zodat de ADC de hele signalen kan verwerven. De draadloze transmissiechip bestaat uit een ADC, een microprocessor, een antenne en een batterij om het apparaat van stroom te voorzien. De softwaremodule omvat signaalbemonstering, signaalverwerking, signaalopslag en signaalweergave-eenheden. Via de signaalbemonsterings- en verwerkingseenheden worden de signalen die naar de mobiele telefoon worden verzonden, teruggeconverteerd naar de oscillatie met positieve en negatieve componenten, maar de signaalgolfvormen en -amplitudes worden niet proportioneel teruggeconverteerd naar de oorspronkelijke waarden van de TENG-uitvoer; het is dus slechts indicatief voor de ademhalingsfrequentie. En via de signaalweergave- en signaalopslageenheden worden de verzonden signalen van de realtime ademhalingsfrequenties systematisch opgeslagen en weergegeven op een mobiele telefoon.

Waarnemingsprincipe en werkingsmechanisme

Menselijke ademhaling wordt meestal onderverdeeld in borst- en buikademhaling, en de meesten van ons gebruiken het eerste type in ons dagelijks leven. Tijdens het thoracale ademhalingsproces zet de buikholte periodiek uit en trekt samen wanneer respectievelijk de uitademing en de inademing plaatsvinden, wat kan leiden tot rekken en samentrekken van de draagbare riem die om de taille is bevestigd. Ondertussen wordt het tribo-paar gedwongen naar buiten en naar binnen te schuiven via de vervorming van de buikomtrek. Tijdens het heen en weer schuivende proces wordt de ademhalingsstatus verkregen via de slimme riem met het TENG-apparaat.

Afbeelding 2 toont het werkingsmechanisme van de ademhalingssensor op basis van glijdende modus TENG. De variatie van de omtrek van de buikholte kan het relatieve glijden van het tribo-paar via de draagbare dubbellaagse riem vergemakkelijken, waardoor een wisselstroom wordt geïnduceerd die door het externe circuit gaat, dat wordt opgevangen en behandeld als het signaal in de ademhalingsbewaking. In elke werkcyclus zullen er vier processen zijn:een eerste intiem contact, een naar buiten glijden, een korte pauze en een naar binnen glijden. Zoals de begintoestand getoond in Fig. 2a, overlappen de oppervlakken van het tribo-paar elkaar volledig en maken ze nauw contact met elkaar, en het oppervlak van de nylonfilm en de PTFE-film zijn respectievelijk positief en negatief geladen vanwege het tribo-elektrisch effect en elektrostatische inductie. In deze fase is er geen glijdend gedrag tussen het tribo-paar, waarvan de oppervlakteladingen in statisch evenwicht zijn zonder dat er lading in het circuit wordt overgedragen. Wanneer de uitademing begint en het tribo-paar naar buiten begint te glijden met de expansie van de buikholte (Fig. 2b), zal de scheiding van de tribo-elektrische lading een potentiaalverschil tussen het tribo-paar induceren. Daarom zullen de vrije elektronen worden overgedragen van de ene elektrode naar de andere via het externe circuit en zal een puls van de uitgangsspanning met positieve amplitude worden gegenereerd. Zodra het tribo-paar de maximale schuifafstand bereikt tijdens het uitademingsproces (Fig. 2c), zullen de overgedragen ladingen hun piekwaarde bereiken en zal er geen stroom meer door het circuit gaan. Dan komt het inademingsproces (Fig. 2d), waarbij het tribo-paar naar binnen begint te glijden met de samentrekking van de buikholte. De overtollige overgedragen ladingen op elektroden zullen terugvloeien voor een nieuwe elektrostatische balans en een puls van de uitgangsspanning met negatieve amplitude zal worden gegenereerd. Er wordt geen lading overgedragen omdat de geladen oppervlakken van het tribo-paar volledig overlappen, en het TENG-apparaat keert terug naar de staat van intiem contact zoals weergegeven in figuur 2a. Op deze manier, met het optreden van de herhaalde uitgaande en binnenwaartse oscillaties tussen het tribo-paar, worden de elektronen heen en weer gedreven in het circuit tussen de twee elektroden, waardoor een wisselstroomuitgang ontstaat.

Werkmechanismediagram van de ademhalingssensor en zijn vier werkprocessen. een "Intiem contact" proces:de gebruiker inhaleert en de oppervlakken van het tribo-paar overlappen elkaar volledig. b "Naar buiten glijdend" proces:de gebruiker ademt uit en het tribo-paar glijdt naar buiten. c "Korte pauze"-proces:gebruiker ademt uit en het tribo-paar schuift maximaal naar buiten. d Proces "naar binnen glijden":de gebruiker inhaleert en het tribo-paar glijdt naar binnen

Meetsysteem

De elektrische outputprestaties van de ademhalingssensor zijn geregistreerd door een Keysight B2983A-systeemelektrometer.

Resultaten en discussie

Voor klinische toepassingen kunnen ademhalingsfrequenties essentiële informatie verschaffen voor vroegtijdige waarschuwing en snelle diagnose van luchtwegaandoeningen zoals OSAS. De draadloze ademhalingssensor die in de taille kan worden gedragen, wordt in dit artikel voorgesteld om een alternatieve strategie te bieden voor het bewaken van realtime ademhaling door de variatie van de buikomtrek in het ademhalingsproces te detecteren en het draadloze signaal op een mobiele telefoon weer te geven. De configuratie van het apparaat bevat een draagbare dubbellaagse riem, een TENG-sensor met glijdende modus ingebouwd in de riem en een draadloos transmissiesysteem. En de toepasbaarheid, draagbaarheid en nauwkeurigheid van het apparaat zijn gevalideerd door theoretische analyses, mechanische tests en realtime tests door vrijwilligers.

Theoretische voorspelling

Eerst wordt een analytisch model opgesteld om de outputprestaties van de TENG te voorspellen en de mogelijkheid van het apparaat als een ademhalingsbewakingssensor te valideren. Er wordt een realtime test uitgevoerd om de nauwkeurigheid van het analytische model te onderzoeken. Verder wordt de correlatie tussen de elektrische signalen van de sensor en de invoer van mechanische excitatie vastgesteld en onderzocht door het theoretische model, dat een beter begrip geeft van het werkingsmechanisme van de sensor. Voor die doeleinden wordt een theoretische functie voorgesteld om de ademhalingsprocessen te simuleren, die uitademings- en inademingsstadia omvatten. In het uitademingsstadium zet de buikholte uit en schuift het tribo-paar naar buiten zodat de verplaatsing x(t) van het tribo-paar neemt geleidelijk toe van nul tot A . Dan blijft het tribo-paar de maximale verplaatsing A tot het inademingsproces. Bij het inademen trekt de buikholte samen en begint het tribo-paar naar binnen te schuiven, zodat de verplaatsing x(t) neemt geleidelijk af van A naar nul. Daarna blijft het tribo-paar de verplaatsing van nul tot de volgende ademhalingscyclus. Volgens de variatieregeling van de x(t) in het tijdsdomein wordt aangenomen dat de excitatie voor het apparaat een trapeziumvormige golf is (Fig. 3a), die wordt uitgedrukt als:

$$ x(t)=\left\{\begin{array}{c}{v}_1t\\ {}A\\ {}A-{v}_2t\\ {}0\end{array}\kern0 .75em \begin{array}{c}0 waar T is de periode, η is de verhouding van de uitademingstijd tot de hele periode T , v ₁ en v ₂ zijn de snelheden van respectievelijk naar buiten en naar binnen glijden. Verder is de uitgangsspanning V (t ) wordt berekend volgens de theorie van de glijdende modus TENG als volgt [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)

waar d ₀ = d ₁ /ε _{r 1} + d ₂ /ε _{r 2} is de effectieve dikte met d ₁ (d ₂ ) en ε _{r 1} (ε _{r 2} ) duidde respectievelijk de dikte en relatieve diëlektrische constante van de diëlektrische laag aan, ε ₀ de diëlektrische constante van vacuüm, σ de oppervlakteladingsdichtheid, R de belastingsweerstand, en S het gebied van de diëlektrische plaat.

Correlatie tussen de fysieke beweging tijdens het ademen en de uitgangsspanning van de TENG-sensor. een De veronderstelde trapeziumvormige verplaatsing voor de theoretische voorspelling. b Vergelijking van de theoretische voorspelling en de experimentele resultaten

Een apparaat wordt gebruikt als een case om het elektromechanische model theoretisch te valideren, met de parameters van de fysieke eigenschappen en het laadproces weergegeven in Tab. 1. De tijdgeschiedenis van de berekende uitgangsspanning wordt weergegeven door de blauwe lijn in Fig. 3b, terwijl de gemeten spanningssignalen door de rode lijn worden weergegeven. Er wordt een uitstekende overeenkomst waargenomen tussen de theoretische voorspelling en de gemeten signalen, wat suggereert dat het analytische model nauwkeurig is voor het voorspellen van de elektrische output van het apparaat tijdens het ademen. Verder tonen de spanningspulsen van de voorspelde ademhalingssignalen consistentie met de in- en uitademingsprocessen. De signalen stijgen en dalen en gedragen zich met positieve en negatieve signalen met het optreden van respectievelijk de uitademings- en inademingsprocessen. En het kan ook worden gebruikt voor een optimaal ontwerp van de op TENG gebaseerde ademhalingssensor in structurele parameters om de prestaties en gevoeligheid te verbeteren.

Uitvoerkenmerken

Er is een mechanische test uitgevoerd om de invloed van de glijdende verplaatsing van het tribo-paar op het uitgangsspanningssignaal van het apparaat te onderzoeken. Zoals weergegeven in figuur 4a, werden de twee uiteinden van het tribo-paar op de rekmachine gefixeerd en werd het tribo-paar via de rekmachine in een periodieke heen en weer gaande glijdende oscillatie gedwongen om de beweging van het tribo-paar in de ademhaling te simuleren werkwijze. Ondertussen werden de tijdgeschiedenissen van glijdende verplaatsing en trekkracht in het rekproces geregistreerd om vergelijking te maken met de spanningssignalen gemeten door een voltmeter met de belastingsweerstand in het elektrische circuit van 11 MΩ. In de mechanische test werd een trapeziumvormige golfexcitatie gebruikt met een frequentie van 0,5 Hz en de verplaatsingsamplitude van 2,5 tot 30 mm. Figuur 4b toont de tijdgeschiedenis van uitgangsspanning door de rode lijn en de overeenkomstige tijdgeschiedenis van glijdende verplaatsing met een amplitude van 30 mm en trekkracht door de groene en blauwe lijnen, respectievelijk. In stadium I, terwijl de verplaatsing tussen het tribo-paar toeneemt met de trekkracht van de machine, wordt de positieve puls van de uitgangsspanning vastgelegd. En in fase II vertoont de uitgangsspanning tegengestelde signalen, terwijl de trekkracht geleidelijk wordt opgeheven en de verplaatsing afneemt. De periodieke karakteristiek van de spanningssignalen komt goed overeen met die van de glijdende verplaatsing en trekkracht van de ingestelde mechanische excitatie, wat de haalbaarheid van de TENG-sensor voor realtime ademmonitoring aantoont. Verder variëren de verkregen spanningssignalen duidelijk onder verschillende glijdende amplitudes van 2, 5 tot 30 mm (figuur 4c), wat het mogelijk maakt om het effect van de verplaatsingsamplitude (d.w.z. de ademhalingsdiepte) te onderzoeken. De variatietendens van de piekspanning versus de verplaatsingsamplitude is weergegeven in figuur 4d. Het is duidelijk dat de piekspanning lineair toeneemt met de verplaatsingsamplitude en de variatierelatie kan als volgt worden beschreven:

$$ {V}_{\mathrm{peak}}=0.01383{X}_{\mathrm{max}}+0.0092 $$ (3)

waar V _piek is de piekwaarde van de uitgangsspanning en de X _max betekent de maximale glijdende verplaatsing van het tribo-paar. De regeling in vgl. (3) onthult de relatie tussen de piekspanning en verplaatsingsexcitatie van het apparaat met het toepasselijke bereik "2,5 mm≤ X _max ≤30 mm”, wat voor ons een basis biedt om het effect van de buikomtrek op de piekspanning te leren en een overeenstemming in het voorspellen van de piekspanning van de sensor in het ademhalingsproces. Aan de andere kant illustreert figuur 4d ook dat de bruikbare elektrische signalen van de sensor kunnen worden vastgelegd met de amplitude van de trekkracht en de glijdende verplaatsing zo klein als 3,09 N en 2,5 mm, wat betekent dat het apparaat gemakkelijk kan worden aangedreven door de variatie van de buikomtrek zonder ongemakkelijke gevoelens bij de gebruiker te veroorzaken.

Mechanische tests op de op TENG gebaseerde ademhalingssensor. een Foto van de TENG-sensor bevestigd aan de strekmachine. b De uitgangsspanningssignalen van de sensor onder een excitatie in trapeziumvorm en de bijbehorende tijdgeschiedenissen van de glijdende verplaatsing en kracht. c De tijdgeschiedenis van de uitgangsspanning van de sensor met verschillende verplaatsingsamplitudes. d De piekwaarden van de uitgangsspanning en de trekkracht als functie van de maximale schuifverplaatsing

Respiratiebewaking

Om de haalbaarheid van het apparaat als ademhalingssensor te verifiëren, werd een reeks realtime monitoringtests uitgevoerd (Fig. 5a) en werden de elektrische signalen gemeten via een voltmeter met een belastingsweerstand in het elektrische circuit van 100 MΩ . Tijdens het ademhalingsproces wordt de riem van het apparaat in contact gehouden met de taille van de gebruiker, en de variatie van de buikomstandigheid van de gebruiker wordt weerspiegeld door de periodieke heen en weer gaande glijdende oscillatie van het tribo-paar. Terwijl de vrijwilliger periodiek uitademt en inademt, verschijnen de uitgangsspanningssignalen, inclusief pulsen met positieve en negatieve amplitudes. In werkelijke toepassingen kunnen de opgevangen elektrische signalen meer informatie bevatten met betrekking tot het ademhalingsproces, dwz de ademhalingsfrequenties en het in- of uitademingsproces, enz. Door de correlatie te illustreren tussen de periodieke variatie van spanningssignalen en het werkingsmechanisme van de ademhaling sensor, is het nauwkeuriger om gedetailleerde informatie over de ademhaling uit de gemeten signalen te halen. Daarom nemen we één ademhalingscyclus uit de realtime-tests als voorbeeld om de correlatie te illustreren (Fig. 5b). Wanneer een kracht wordt uitgeoefend in het uitademingsproces, schuift het tribo-paar naar buiten en genereert een puls van de uitgangsspanning met positieve amplitude in overeenstemming met de detectie voor het uitademingsproces. Dan dienovereenkomstig, wanneer de uitgeoefende kracht geleidelijk wordt ingetrokken tijdens het inademingsproces, schuift het tribo-paar naar binnen en genereert een puls van uitgangsspanning met negatieve amplitude in overeenstemming met de detectie voor het inademingsproces. Op basis van de bovengenoemde analyses kunnen de spanningssignalen worden gebruikt om een diep begrip te krijgen van ademhalingsprocessen.

De TENG-ademhalingssensor met glijdende modus voor het bewaken van verschillende ademhalingsritmes. een Foto van de TENG-sensor gedragen op de taille voor ademhalingsbewaking. b De overeenkomst tussen de uitgangsspanningssignalen en de processen van uitademen en inademen in één ademhalingscyclus. c , d Tijdgeschiedenissen van de uitgangsspanningssignalen voor twee vrijwilligers met verschillende taillelijnen (72,8 cm voor c en 98,6 cm voor d ) en bijbehorende resultaten van FFT voor verschillende ademhalingsritmes

Verder werden twee vrijwilligers, een van 22 jaar oud met een taille van 72,8 cm en een ander van 24 jaar oud met een taille van 98,6 cm, uitgenodigd om het vermogen van de slimme riem om het specifieke ademgedrag van verschillende individuen weer te geven te testen. Om de gevoeligheid van het apparaat voor verschillende ademhalingsfrequenties te testen, omvatten de ademhalingsprocessen die door de vrijwilligers worden aangeboden drie verschillende ademhalingsritmes, namelijk normaal, snel en diep ademhalen. Tijdens het ademhalingsproces met verschillende ritmes worden de elektrische signalen die door de TENG-sensor worden gegenereerd, met succes gedetecteerd en weergegeven in respectievelijk figuur 5c en d voor de twee vrijwilligers. De spanningssignalen zijn herhaalbaar en betrouwbaar voor elk ritme, wat een duidelijk verschil in ademhalingsfrequenties in het ademhalingsproces vertoont. De tijdgeschiedenissen van de uitgangsspanning (Fig. 5c en d) voor de twee vrijwilligers vertonen respectievelijk een constante variatie (constante frequentie en piek-dalwaarde) in de processen van drie ademhalingsritmes. Weerspiegeld door de resultaten van snelle Fourier-transformatie (FFT) in Fig. 5c en d, is de geëxtraheerde frequentie van de normale, snelle en diepe ademhalingen respectievelijk 0,68, 1,10 en 0,40 Hz voor de 22-jarige vrijwilliger en 0,60 , 1,40 en 0,47 Hz voor de 24-jarige; dat zijn redelijke ademhalingsfrequenties voor gezonde volwassenen [37]. Het betekent dat de belangrijkste informatie van de ademhalingsfrequenties kan worden verzameld via de elektrische signalen. Aan de andere kant worden de twee vrijwilligers in de tests gevraagd om hun adem in te houden om de adempauze te simuleren die wordt veroorzaakt door het symptoom van apneu. Dienovereenkomstig wordt in figuur 5c en d weergegeven dat de signalen met een waarde van nul volt ongeveer 10 s duren tussen twee verschillende ademhalingsritmes. Het kan worden gebruikt als een beoordelingsbasis voor OSAS en een verdere overeenstemming voor de diagnose en waarschuwing. Deze resultaten tonen aan dat deze TENG-sensor niet alleen de ademhalingsfrequenties kan detecteren, maar ook de symptomen van de apneu.

Bovendien werd een reeks real-time tests uitgevoerd door de vrijwilliger in verschillende staten om de bruikbaarheid van het apparaat bij verschillende dagelijkse activiteiten te bevestigen. De spanningssignalen werden gemeten via een voltmeter met een belastingsweerstand van 100 MΩ in drie verschillende toestanden, namelijk liggend (geval I in afb. 6a), zittend (geval II in afb. 6b), staand (geval III in afb. 6c) en lopen met een snelheid van 3 km/u (geval IV in figuur 6d). Figuur 6a toont de verkregen spanningssignalen met de vrijwilliger liggend om de ademhalingstoestand tijdens het slapen te simuleren, terwijl figuur 6b-d de vastgelegde spanningssignalen toont terwijl de vrijwilliger respectievelijk zit, staat en loopt, om de ademhalingsprocessen bij dagactiviteiten te simuleren . Alle signalen uit de gevallen I-IV vertonen stabiele en continue spanningspulsen in gelijke tred met de variatie van de buikomtrek tijdens het ademen, die samenvallen met de echte processen van in- en uitademing. En de ademhalingsfrequenties zijn respectievelijk 0,54 Hz voor geval I, 0,52 Hz voor geval II, 0,72 Hz voor geval III en 0,65 Hz voor geval IV. Het is vermeldenswaard dat er enkele trillingen in de signaalgolfvorm zijn tijdens het lopen in Fig. 6d, maar de functionaliteit voor het bewaken van het ademhalingsritme wordt nog steeds bereikt. De tests in de vier cases demonstreren de haalbaarheid van de ademhalingssensor als een draagbaar apparaat voor realtime ademhalingsbewaking bij verschillende activiteiten in het dagelijks leven. Verder hebben we een langdurige continue ademhalingsmonitoring uitgevoerd gedurende 180 s en de gedetecteerde signalen worden gepresenteerd in Aanvullend bestand 1:Afbeelding 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. een 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

Conclusies

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.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

The data and materials used are included in the manuscript.

Afkortingen

ADC:: Analog digital converter
FFT:: Snelle Fourier-transformatie
OSAS:: Obstructive sleep apnea syndrome
PTFE:: Polytetrafluoroethylene
TENG:: Triboelectric nanogenerator

Raman spectroscopische karakteriseringen van zelfgekatalyseerde InP/InAs/InP eendimensionale nanostructuren op InP(111)B-substraat met behulp van een eenvoudige substraat-kantelmethode Volledig optische afstemming van licht in WSe2-gecoate microvezel

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal