Draagbare draadloze tribo‑elektrische nanogenerator voor real‑time ademhalingsmonitoring

Samenvatting

Ademhalingsfrequentie is een cruciale biomarker voor het detecteren van ademhalingsstoornissen zoals obstructieve slaapapneu en cystische fibrose. Conventionele klinische monitors zijn bulk en ongeschikt voor alledaags gebruik, terwijl mobiele gezondheidsapparaten lichte, stroomloze oplossingen vereisen. We presenteren een taille‑draagbare, draadloze tribo‑elektrische nanogenerator (TENG) die buikomtreksveranderingen meet om een zelf‑gevoede elektrisch signaal te produceren. Theoretische modellering, mechanische testen en vrijwilliger‑proeven bevestigen dat het apparaat ademhalingsfrequenties nauwkeurig volgt over verschillende ritmes, activiteitsstatussen en lichaamsgroottes, terwijl data draadloos naar een smartphone wordt geleverd. Dit demonstreert een praktische, laag‑kost alternatief voor continue ademhalingsmonitoring in het dagelijks leven.

Inleiding

Wereldwijde verslechtering van de luchtkwaliteit en een vergrijzende bevolking verhogen de prevalentie van ademhalingsziektes. Continue, non‑invasieve monitoring van ademhaling kan vroege waarschuwing bieden voor aandoeningen zoals obstructieve slaapapneu‑syndroom (OSAS) en cystische fibrose. Traditionele monitoringapparatuur is vaak onhandig, vereist externe stroom, en is ongeschikt voor langdurig thuisgebruik. Recente vooruitgang in mobiele netwerken en laag‑vermogen elektronica heeft interesse gewekt in flexibele, draagbare gezondheidssensoren. Tribo‑elektrische nanogeneratoren (TENGs) zijn ideaal voor deze toepassing: ze zijn licht, produceren hoge‑energiedichtheid, en zijn veilig voor huidcontact. Tallooze TENG‑gebaseerde apparaten zijn ontwikkeld voor hartslag, pols, en algemene fysiologische monitoring, maar weinig richten zich op respiratie.

Ons werk introduceert een slimme riem die de natuurlijke uitbuiging en inkrimping van de buik tijdens ademhaling benut. De riem bevat een glij‑modus TENG die mechanische deformatie omzet in een wisselspanning zonder externe stroom. Het signaal wordt versterkt, gedigitaliseerd, en via een draadloos module naar een smartphone verzonden, wat real‑time ademhalingsdata levert.

Methoden

Apparaatarchitectuur

Resultaten en discussie

Modelvalidatie

De analytische voorspelling matchte nauwkeurig de gemeten spanning tijdens gesimuleerde ademhaling, wat de nauwkeurigheid van het model bevestigt en ontwerpoptimalisering begeleidt.

Mechanische test

Met een rekmachine varieerden we glij‑amplitude van 2,5 tot 30 mm bij 0,5 Hz. De uitgangsspanning steeg lineair met verplaatsing, met een piekspanning van 1,2 V bij 30 mm. Zelfs een verplaatsing van 2,5 mm produceerde een meetbaar signaal, wat geschiktheid voor menselijke ademhaling aangeeft.

Real‑time monitoring

Vrijwilligerstests in liggen, zitten, staan, en lopen toonden stabiele spanningspulsen die overeenkomen met ademhaling. Ademhalingsfrequenties variëerden van 0,54 Hz (liggen) tot 0,72 Hz (staan). FFT‑analyse bevestigde nauwkeurige frequentie‑extractie voor normale, snelle, en diepe ademhalingen. Een 10‑seconden apneu‑pauze werd eveneens gedetecteerd, wat potentieel voor OSAS‑screening aantoont.

Draadloze transmissie

De draadloze module, aangedreven door een kleine batterij, digitaliseert de TENG‑uitgang en verzendt deze via Bluetooth naar een smartphone. Hoewel de signaal‑amplitude wordt gedempt door de hoge invoer‑impedantie en bemonsteringssnelheid, vertegenwoordigt de golfvorm trouw de ademhalingscycli en stelt nauwkeurige ademhalingsfrequentieberekening toe.

Conclusies

We hebben een lichtgewicht, batterij‑vrije taille‑riem geproduceerd die buikademhaling omzet in een meetbaar elektrisch signaal met behulp van een glij‑modus TENG. Het apparaat volgt nauwkeurig de ademhalingsfrequentie over diverse activiteiten, detecteert apneu‑gebeurtenissen, en levert data draadloos aan een mobiel apparaat. De lage kost, eenvoud, en hoge gevoeligheid maken het een veelbelovend platform voor continue thuis‑ademhalingsmonitoring en vroege ziekte‑detectie.

Beschikbaarheid van data en materialen

Alle data en materialen zijn opgenomen in het manuscript.