Ein tragbarer triboelektrischer Nanogenerator zur Überwachung der Atmung in Echtzeit

Einführung

Begleitet von der globalen Klimaverschlechterung, der zunehmenden ernsthaften Luftverschmutzung und der Verschlimmerungstendenz der älteren Bevölkerung ist die menschliche Gesundheit, insbesondere die Gesundheit der Atemwege, immer mehr Bedrohungen ausgesetzt [1,2,3]. Inzwischen rückt die Überwachung der körperlichen Gesundheit des Menschen in den Mittelpunkt der Aufmerksamkeit, um latenten Krankheiten vorzubeugen [4,5,6,7]. Die Atemfrequenz als einer der wichtigsten und zuverlässigsten Indikatoren, die die physiologische Gesundheit des Menschen direkt widerspiegeln, kann wichtige Informationen für die Vorhersage und Diagnose potenzieller Atemwegserkrankungen wie dem obstruktiven Schlafapnoe-Syndrom (OSAS) und der durch Mukoviszidose verursachten Atemfunktionsstörung liefern [8, 9,10,11]. Es wurden verschiedene traditionelle medizinische Geräte zur Überwachung des Atmungsstatus verwendet, und es wurden auch außerordentliche Anstrengungen unternommen, um Technologien für eine innovative Atmungsüberwachung zu entwickeln. Trotz der großen klinischen Anwendbarkeit und Überwachungsgenauigkeit schränken der umständliche Aufbau, die komplexe Bedienbarkeit, die Abhängigkeit von externen Stromquellen und die schlechte Portabilität ihre Weiterentwicklung als intelligente mobile Medizinelektronik ein. In den letzten Jahren haben die Fortschritte bei Mobilfunknetzen und der Elektronik mit geringer Leistung die intelligenten mobilen medizinischen Geräte in enormem Tempo vorangetrieben und ein zunehmendes Interesse an der häuslichen Gesundheitsversorgung und flexibler tragbarer Elektronik geweckt [6, 12, 13, 14, 15, 16, 17,18]. Daher werden batterielose tragbare Gesundheitssensoren mit großem Potenzial für die intelligente Atmungsüberwachung allgegenwärtig nachgefragt.

Im Vergleich zu einigen relativ ausgereiften Bioenergie-Fangtechnologien wie elektromagnetischen [19, 20] und piezoelektrischen [21,22,23,24,25], triboelektrischen Nanogeneratoren (TENGs) [26,27,28,29,30] mit den Vorteilen von geringes Gewicht, hohe Energiedichte und hohe Sensorempfindlichkeit besitzen ein besseres Potenzial für Anwendungen als Bioenergie-Harvester, tragbare Elektronik und energieautarke Gesundheitsüberwachungsgeräte. Darüber hinaus sind die TENG-basierten Energy Harvester in der Lage, Bioenergie in Arbeitsumgebungen mit einer Frequenzbandbreite unter 10 Hz wie der menschliche Atem besser einzufangen [31, 32], und die für TENGs verwendeten Materialien sind bleifrei und können sicher verwendet werden Sensoren im Gesundheitswesen. Daher ist TENG ohne Zweifel eine der besten Wahlen für tragbare und energieautarke Atemüberwachungsgeräte. Um der steigenden Nachfrage nach tragbarer und energieautarker Gesundheitsüberwachungstechnologie gerecht zu werden, wurden viele neuartige TENG-basierte Sensoren entwickelt, um den physiologischen Status des Menschen zu überwachen. Linet al. schlug ein batterieloses drahtloses Körpersensornetzwerk-System (BSN) für die Herzfrequenzüberwachung über vor Integration eines auf Downy Structure basierenden TENG (D-TENG), einer Power-Management-Schaltung, eines TENG-basierten Herzfrequenzsensors, einer Signalverarbeitungseinheit und eines Bluetooth-Moduls zur drahtlosen Datenübertragung im Jahr 2018 [13]. P. Maharjanet al. entwarf 2018 ein neuartiges kurvenförmiges tragbares hybridisiertes elektromagnetisches TENG (WHEM-TENG), das als elektronische Armbanduhr funktioniert, die von biomechanischer Energie aus einer Schwinge gespeist wird und die auch für ein Pulssignal und eine Herzfrequenzüberwachung demonstriert wurde [ 17]. Chenet al. berichteten 2017 über einen flexiblen Hybrid-Nanogenerator mit piezoelektrischen und triboelektrischen Eigenschaften, der konform auf weichen Oberflächen wie der menschlichen Haut angebracht werden kann, um vielfältige Berührungsenergien basierend auf einer elektrogesponnenen Nanofasermatte zu gewinnen und die physiologischen Echtzeitsignale wie Atmungsinformationen und Radialarterienpuls zu überwachen [ 33]. Cuet al. berichteten 2018 über einen Pulssensor basierend auf einem Einelektroden-TENG mit hoher Flexibilität und hohem Tragekomfort auf der menschlichen Haut, mit dem eine typische menschliche Pulswellenform, die die Radialarteriendruckwelle darstellt, erfolgreich erhalten werden kann [34]. Die oben genannten Arbeiten haben die Entwicklung von TENG-basierten tragbaren und energieautarken intelligenten Geräten für die physische Überwachung des Menschen stark vorangetrieben.

Die Variation des Bauchumfangs ist ein natürliches körperliches Verhalten des Menschen während des Atmungsprozesses, so dass die Erfassung von Informationen aus Bauchverformungen ein sensorischer Ansatz ist und keine negativen Auswirkungen auf die normalen Aktivitäten des Menschen hat, die auch eine mögliche Energiequelle durch das Auffangen biokinetischer Energie sein können . In diesem Artikel schlagen wir einen integrierten, an der Taille tragbaren, drahtlosen Atmungssensor vor, der auf dem Gleitmodus TENG basiert und gleichzeitig die Vorteile von Portabilität, Mobilität und Intelligenz bietet. Es kann bei verschiedenen täglichen Aktivitäten zur kontinuierlichen Echtzeit-Atemüberwachung und OSAS-Erkennung angewendet werden, ohne dass die normale Funktion des Geräts beeinträchtigt oder die täglichen Aktivitäten des Benutzers beeinträchtigt werden. Ein intelligenter Gürtel ist mit dem TENG-Sensor ausgestattet, um die Variation des Bauchumfangs des Benutzers während der Atmung zu erfassen und die periodische Variation auf die hin- und hergehende Schwingung des Tribo-Paares des TENG zu übertragen, sodass die elektrischen Signale mit Atmungsinformationen ausgegeben werden können der TENG. Der gesamte Erfassungsprozess benötigt keine externe Stromquelle. Das Gerät ist auch mit einem drahtlosen Übertragungschip ausgestattet, der von einer externen Quelle gespeist wird, um die Atmungssignalübertragung zu realisieren. Die Informationen zum Atemstatus werden schließlich auf einem Mobiltelefon angezeigt. Hier berichten wir über die Forschungsarbeiten zum TENG-basierten Atmungssensor, um sein hervorragendes Potenzial als mögliches intelligentes tragbares und energieautarkes Gerät zur Echtzeit-Atemüberwachung zu zeigen.

Methoden

Architektur des Atemsensors

Abbildung 1a zeigt die schematische Struktur des Atmungssensors basierend auf dem Gleitmodus TENG. Der an der Taille tragbare Atmungssensor ist so konzipiert, dass er den Atmungsstatus des Benutzers in Echtzeit im täglichen Leben erkennt, wie in Abb. 1a (i) gezeigt. Diese Art von Überwachungsstrategie wird die täglichen Aktivitäten des Trägers, wie Gehen, Schlafen, Kochen, Büroarbeit usw. nicht stören. Das Gerät besteht aus einem tragbaren zweischichtigen Gürtel, einem im Gürtel integrierten TENG-Sensor mit Gleitmodus und einem drahtlosen Übertragungssystem. Jede Schicht des zweischichtigen Gürtels, wie in Fig. 1a(ii) gezeigt, beinhaltet einen nicht dehnbaren Teil, der durch die schwarze Linie gekennzeichnet ist, und einen verformbaren Teil durch die rote Linie. Der TENG-Sensor ist in den tragbaren Doppelschichtgürtel mit der in Abb. 1a (iii-iv) gezeigten detaillierten Struktur eingebaut. Als negatives bzw. positives Tribomaterial werden ein Polytetrafluorethylen (PTFE)-Film mit einer Dicke von 100 µm und ein Nylonfilm mit einer Dicke von 30 µm verwendet. Als leitfähige Elektroden sind auf den Außenflächen der Triboschichten zwei Kupferfolien mit einer Dicke von jeweils 50 µm angebracht. Als Träger werden zwei Acrylplatten verwendet, um die dielektrischen Materialien flach zu halten. Die Hobelgröße des TENG-Geräts beträgt 5 × 5 cm ² . Das TENG-Gerät ist mit einer Kunststoffhülle umhüllt, um den Kontakt zwischen dem Tribo-Paar während des Atmungsüberwachungsprozesses zu gewährleisten.

Herstellung des in der Taille tragbaren Atmungssensors und des drahtlosen Übertragungssystems. a Schematischer Aufbau des drahtlosen Atmungssensors. (i) Schema zum Tragen, (ii) Strukturskizze des tragbaren Geräts, (iii) vergrößerte Ansicht des TENG und (iv) Materialdarstellung des TENG und (v) Funktionsmodule, die im drahtlosen Übertragungssystem enthalten sind. b Der Schaltplan des drahtlosen Übertragungssystems

Die Struktur des Geräts wurde mit einer Reihe offensichtlicher Vorzüge entworfen. Zunächst werden hier die verformbaren Teile des Gürtels genutzt, um die Expansion des Bauches während der Atmung aufzunehmen und die Rückstellkraft beim Zusammenziehen des Bauches während des Inhalationsprozesses bereitzustellen, so dass die Echtzeit-Erkennung mit kontinuierlichem Signal realisiert über den Smart Belt ohne unangenehme Gefühle und negativen Einfluss auf die normalen Aktivitäten des Benutzers. Zweitens werden die nicht dehnbaren Teile des Gürtels verwendet, um die Verformung des Gürtels zu begrenzen, um sicherzustellen, dass ein Teil der Variation des Bauchumfangs verwendet wird, um das Gleitverhalten des Tribo-Paares zu steuern. Außerdem machen die einfache Struktur und die kommerziellen Materialien, die in der Vorrichtung verwendet werden, sie kostengünstig und leicht herzustellen, was ihre marktfähige Werbeaussicht erleichtern kann.

Darüber hinaus wird ein Satz von Hardware- und Softwaremodulen angewendet, um ein drahtloses Übertragungssystem zur Signalübertragung zu bilden, und es wird angenommen, dass die Informationen der Echtzeitatmung auf einem Mobiltelefon angezeigt werden (Fig. 1a (v)). Wie in Fig. 1b gezeigt, ist das Hardwaremodul, das aus einem Spannungsfolger, einer Spannungserhöhungsschaltung und einem drahtlosen Übertragungschip besteht, in eine Leiterplatte integriert. Es ist zu beachten, dass der TENG eine hohe Spannung, aber einen relativ niedrigen Strom ausgibt, was zu einer hohen Ausgangsimpedanz führt und seine Anwendbarkeit in dem drahtlosen Übertragungssystem beeinträchtigt. In dieser Hinsicht ist der Spannungsfolger in die Schaltung integriert, um die Ausgangsimpedanz des TENG so zu senken, dass sie ungefähr der der drahtlosen Übertragungseinheit entspricht. Aus Gründen der praktischen Anwendbarkeit wird der elektrische Ausgang des TENG auch als Wechselstrom bezeichnet, dessen negative Signalwerte nicht als Eingangssignal für den Analog-Digital-Umsetzer (ADC) verwendet werden können. Daher wird die elektrische Pegelerhöhungsschaltung verwendet, um die gesamte Signalkurve der Ausgangsspannung des TENG auf einen positiven Pegel anzuheben, damit der ADC die gesamten Signale erfasst. Der Funkübertragungschip besteht aus einem ADC, einem Mikroprozessor, einer Antenne und einer Batterie, um das Gerät mit Strom zu versorgen. Das Softwaremodul umfasst Signalabtast-, Signalverarbeitungs-, Signalspeicher- und Signalanzeigeeinheiten. Durch die Signalabtast- und -verarbeitungseinheiten werden die an das Mobiltelefon übertragenen Signale in die Schwingung mit positiven und negativen Komponenten zurückgewandelt, aber die Signalwellenformen und Amplituden werden nicht proportional zu den ursprünglichen Werten des TENG-Ausgangs zurückgewandelt; daher ist es nur ein Hinweis auf die Atemfrequenzen. Und durch die Signalanzeige- und Signalspeichereinheiten werden die übertragenen Signale der Echtzeit-Atemfrequenz systematisch gespeichert und auf einem Mobiltelefon angezeigt.

Sensorprinzip und Arbeitsmechanismus

Die menschliche Atmung wird normalerweise in Brust- und Bauchatmung eingeteilt, und die meisten von uns verwenden die erste Art in unserem täglichen Leben. Während des Brustatmungsvorgangs dehnt sich die Bauchhöhle periodisch aus und zieht sich zusammen, wenn die Ausatmungs- bzw. Einatmungsvorgänge erfolgen, was eine Dehnung und Kontraktion des um die Taille angebrachten tragbaren Gürtels bewirken kann. Währenddessen wird das Tribo-Paar durch die Verformung des Bauchumfangs gezwungen, nach außen und innen zu gleiten. Während des hin- und hergehenden Schiebevorgangs wird der Atmungsstatus über den Smart Belt mit dem TENG-Gerät abgerufen.

Abbildung 2 zeigt den Arbeitsmechanismus des Atmungssensors basierend auf dem Gleitmodus TENG. Die Variation des Bauchhöhlenumfangs kann das relative Gleiten des Tribo-Paares über den tragbaren Doppelschichtgürtel erleichtern, wodurch ein Wechselstrom durch den externen Stromkreis geleitet wird, der erfasst und als Signal bei der Atmungsüberwachung behandelt wird. In jedem Arbeitszyklus gibt es vier Prozesse:ein anfänglicher inniger Kontakt, ein Auswärtsgleiten, eine kurze Pause und ein Einwärtsgleiten. Als in Abb. 2a gezeigter Anfangszustand überlappen sich die Oberflächen des Tribopaares vollständig und berühren sich in engem Kontakt miteinander, und die Oberfläche des Nylonfilms und des PTFE-Films sind aufgrund des triboelektrischen Effekts positiv bzw. negativ geladen und elektrostatische Induktion. In dieser Phase gibt es kein Gleitverhalten zwischen den Tribopaaren, deren Oberflächenladungen im statischen Gleichgewicht sind, ohne dass Ladung im Kreis übertragen wird. Wenn die Ausatmung beginnt und das Tribo-Paar mit der Ausdehnung der Bauchhöhle nach außen zu gleiten beginnt (Abb. 2b), führt die Trennung der triboelektrischen Ladung zu einer Potenzialdifferenz zwischen dem Tribo-Paar. Dadurch werden die freien Elektronen über den externen Stromkreis von einer Elektrode zur anderen übertragen und ein Impuls der Ausgangsspannung mit positiver Amplitude erzeugt. Sobald das Tribopaar während des Ausatmungsprozesses die maximale Gleitstrecke erreicht (Abb. 2c), erreichen die übertragenen Ladungen ihren Spitzenwert und es fließt kein Strom mehr durch den Stromkreis. Dann kommt der Inhalationsprozess (Abb. 2d), bei dem das Tribo-Paar mit der Kontraktion der Bauchhöhle beginnt, nach innen zu gleiten. Die redundant übertragenen Ladungen an den Elektroden fließen für ein neues elektrostatisches Gleichgewicht zurück und es wird ein Impuls der Ausgangsspannung mit negativer Amplitude erzeugt. Es wird keine Ladung übertragen, da sich die geladenen Oberflächen des Tribopaars vollständig überlappen, und das TENG-Gerät kehrt in den Zustand des innigen Kontakts zurück, wie in Abb. 2a gezeigt. Auf diese Weise werden beim Auftreten der wiederholten nach außen und innen gerichteten Schwingungen zwischen den Tribopaaren die Elektronen im Stromkreis zwischen den beiden Elektroden hin und her getrieben, wodurch ein Wechselstromausgang erzeugt wird.

Wirkungsdiagramm des Atmungssensors und seiner vier Arbeitsprozesse. a „Intimer Kontakt“-Prozess:Der Benutzer atmet ein und die Oberflächen des Tribo-Paares überlappen sich vollständig. b „Outward Sliding“-Prozess:Der Benutzer atmet aus und das Tribo-Paar gleitet nach außen. c „Kurze Pause“-Prozess:Der Benutzer atmet aus und das Tribo-Paar gleitet maximal nach außen. d „Einwärtsgleiten“-Prozess:Der Benutzer atmet ein und das Tribo-Paar gleitet nach innen

Messsystem

Die elektrische Ausgangsleistung des Atmungssensors wurde mit einem Keysight B2983A-Systemelektrometer aufgezeichnet.

Ergebnisse und Diskussion

Für klinische Anwendungen können Atemfrequenzen wichtige Informationen für die Frühwarnung und sofortige Diagnose von Atemwegserkrankungen wie OSAS liefern. Der in der Taille tragbare drahtlose Atmungssensor wird in diesem Papier vorgeschlagen, um eine alternative Strategie zur Überwachung der Echtzeitatmung zu bieten, indem er die Variation des Bauchumfangs während des Atmungsprozesses erfasst und das drahtlose Signal auf einem Mobiltelefon anzeigt. Die Konfiguration des Geräts enthält einen tragbaren Doppelschichtgurt, einen im Gurt integrierten TENG-Sensor mit Gleitmodus und ein drahtloses Übertragungssystem. Und die Anwendbarkeit, Tragbarkeit und Genauigkeit des Geräts wurden durch theoretische Analysen, mechanische Tests und Echtzeittests von Freiwilligen validiert.

Theoretische Vorhersage

Zunächst wird ein analytisches Modell erstellt, um die Ausgabeleistung des TENG vorherzusagen und die Möglichkeit des Geräts als Atmungsüberwachungssensor zu validieren. Ein Echtzeittest wird durchgeführt, um die Genauigkeit des analytischen Modells zu überprüfen. Darüber hinaus wird die Korrelation zwischen den elektrischen Signalen des Sensors und der mechanischen Eingangserregung hergestellt und durch das theoretische Modell untersucht, das ein besseres Verständnis der Funktionsweise des Sensors ermöglicht. Zu diesem Zweck wird eine theoretische Funktion vorgeschlagen, um die Atmungsprozesse zu simulieren, die Ausatmungs- und Einatmungsphasen umfassen. In der Ausatmungsphase dehnt sich die Bauchhöhle aus und das Tribo-Paar gleitet nach außen, sodass die Verschiebung x(t) des Tribopaares steigt allmählich von Null auf A . Dann bleibt das Tribo-Paar die maximale Verschiebung A bis zum Inhalationsvorgang. Beim Einatmen zieht sich die Bauchhöhle zusammen und das Tribo-Paar beginnt nach innen zu gleiten, so dass die Verschiebung x(t) nimmt allmählich ab von A bis Null. Danach bleibt das Tribo-Paar bis zum nächsten Atemzyklus die Verschiebung von Null. Nach der Variationsregelung der x(t) im Zeitbereich wird angenommen, dass die Anregung für das Gerät eine trapezförmige Welle ist (Abb. 3a), die wie folgt ausgedrückt wird:

wo T ist die Periode, η ist das Verhältnis der Ausatemzeit zur Gesamtdauer T , v ₁ und v ₂ sind die Gleitgeschwindigkeiten nach außen bzw. nach innen. Außerdem ist die Ausgangsspannung V (t ) wird nach der Theorie des Gleitmodus TENG wie folgt berechnet [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)

wo d ₀ = d ₁ /ε _{r 1} + d ₂ /ε _{r 2} ist die effektive Dicke mit d ₁ (d ₂ ) und ε _{r 1} (ε _{r 2} ) bezeichnet die Dicke bzw. die relative Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Schicht, ε ₀ die Dielektrizitätskonstante des Vakuums, σ die Oberflächenladungsdichte, R der Lastwiderstand und S die Fläche der dielektrischen Platte.

Korrelation zwischen der körperlichen Bewegung beim Atmen und der Ausgangsspannung des TENG-Sensors. a Die angenommene trapezförmige Verschiebungsform für die theoretische Vorhersage. b Vergleich der theoretischen Vorhersage und der experimentellen Ergebnisse

Als Fall dient ein Gerät zur theoretischen Validierung des elektromechanischen Modells, wobei die Parameter der physikalischen Eigenschaften und des Belastungsprozesses in Tab. 1. Der zeitliche Verlauf der berechneten Ausgangsspannung wird in Abb. 3b durch die blaue Linie dargestellt, während die gemessenen Spannungssignale durch die rote Linie dargestellt werden. Es wird eine ausgezeichnete Übereinstimmung zwischen der theoretischen Vorhersage und den gemessenen Signalen beobachtet, was darauf hindeutet, dass das analytische Modell für die Vorhersage der elektrischen Ausgaben des Geräts während des Atmungsprozesses genau ist. Außerdem zeigen die Spannungsimpulse der vorhergesagten Atmungssignale Übereinstimmung mit den Einatmungs- und Ausatmungsprozessen. Die Signale steigen und fallen und verhalten sich beim Auftreten der Ausatmungs- bzw. Einatmungsvorgänge mit positiven und negativen Signalen. Und es kann auch für die optimale Gestaltung des TENG-basierten Atmungssensors in Bezug auf strukturelle Parameter verwendet werden, um die Leistung und Empfindlichkeit zu verbessern.

Ausgabeeigenschaften

Um den Einfluss der Gleitverschiebung des Tribopaares auf das Ausgangsspannungssignal des Gerätes zu untersuchen, wurde ein mechanischer Test durchgeführt. Wie in Abb. 4a dargestellt, wurden die beiden Enden des Tribopaares auf der Streckmaschine fixiert und das Tribopaar über die Streckmaschine in eine periodisch hin- und hergehende Gleitschwingung gezwungen, um die Bewegung des Tribopaares bei der Atmung zu simulieren Prozess. In der Zwischenzeit wurden die Zeitverläufe der Gleitverschiebung und der Zugkraft beim Streckvorgang aufgezeichnet, um einen Vergleich mit den von einem Voltmeter gemessenen Spannungssignalen mit einem Lastwiderstand im Stromkreis von 11 MΩ zu machen. Im mechanischen Test wurde eine Trapezwellenanregung mit einer Frequenz von 0,5 Hz und einer Verschiebungsamplitude von 2,5  bis 30 mm verwendet. Abbildung 4b zeigt die Zeitverläufe der Ausgangsspannung durch die rote Linie und die entsprechenden Zeitverläufe der Gleitverschiebung mit einer Amplitude von 30 mm und der Zugkraft durch die grüne bzw. blaue Linie. In der Stufe I wird, während die Verschiebung zwischen den Tribopaaren mit der Zugkraft der Maschine zunimmt, der positive Impuls der Ausgangsspannung erfasst. Und in der Stufe II zeigt die Ausgangsspannung entgegengesetzte Signale, während die Zugkraft allmählich aufgehoben wird und die Verschiebung abnimmt. Die periodischen Eigenschaften der Spannungssignale stimmen gut mit denen der Gleitbewegung und der Zugkraft der einstellenden mechanischen Erregung überein, was die Eignung des TENG-Sensors für die Echtzeit-Atemüberwachung demonstriert. Darüber hinaus variieren die erhaltenen Spannungssignale offensichtlich unter verschiedenen Gleitamplituden von 2,5  bis 30 mm (Abb. 4c), was es ermöglicht, den Effekt der Verschiebungsamplitude (d. h. der Atemtiefe) zu untersuchen. Die Variationstendenz der Spitzenspannung gegenüber der Verschiebungsamplitude ist in Fig. 4d dargestellt. Offensichtlich steigt die Spitzenspannung linear mit der Verschiebungsamplitude und die Variationsbeziehung kann wie folgt beschrieben werden:

$$ {V}_{\mathrm{peak}}=0,01383{X}_{\mathrm{max}}}+0,0092 $$ (3)

wo V _Spitze ist der Spitzenwert der Ausgangsspannung und das X _max bedeutet die maximale Gleitverschiebung des Tribopaares. Die Regelung in Gl. (3) zeigt die Beziehung zwischen der Spitzenspannung und der Verschiebungserregung des Geräts mit dem anwendbaren Bereich „2,5 mm≤ X _max ≤30 mm“, die uns eine Grundlage bietet, um den Einfluss des Bauchumfangs auf die Spitzenspannung und eine entsprechende Vorhersage der Spitzenspannung des Sensors im Atmungsprozess zu lernen. Andererseits zeigt Abbildung 4d auch, dass die nützlichen elektrischen Signale des Sensors mit der Amplitude der Zugkraft und der Gleitverschiebung von nur 3,09 N und 2,5 mm erfasst werden können, was bedeutet, dass das Gerät leicht angetrieben werden kann die Variation des Bauchumfangs, ohne beim Benutzer unangenehme Gefühle zu verursachen.

Mechanische Tests des TENG-basierten Atmungssensors. a Foto des an der Dehnmaschine befestigten TENG-Sensors. b Die Ausgangsspannungssignale des Sensors bei einer Anregung in Trapezform und die entsprechenden zeitlichen Verläufe von Verschiebeweg und Kraft. c Die Zeitverläufe der Ausgangsspannung des Sensors mit unterschiedlichen Verschiebungsamplituden. d Die Spitzenwerte der Ausgangsspannung und der Zugkraft als Funktion des maximalen Gleitweges

Atemüberwachung

Um die Eignung des Geräts als Atmungssensor zu überprüfen, wurden eine Reihe von Echtzeit-Überwachungstests durchgeführt (Abb. 5a) und die elektrischen Signale über ein Voltmeter mit einem Lastwiderstand im Stromkreis von 100 MΩ gemessen . Während des Atemvorgangs wird der Gürtel des Geräts in konformem Kontakt mit der Taille des Benutzers gehalten und die Variation der Bauchlage des Benutzers wird durch die periodisch hin- und hergehenden Gleitschwingungen des Tribo-Paares widergespiegelt. Wenn der Freiwillige periodisch aus- und einatmet, erscheinen die Ausgangsspannungssignale einschließlich Impulsen mit positiven und negativen Amplituden. In tatsächlichen Anwendungen können die erfassten elektrischen Signale mehr Informationen in Bezug auf den Atmungsprozess enthalten, dh die Atemfrequenzen und den Ein- oder Ausatmungsprozess usw. Durch Veranschaulichen der Korrelation zwischen der periodischen Änderung von Spannungssignalen und dem Arbeitsmechanismus der Atmung Sensor ist es genauer, detaillierte Informationen über die Atmung aus den gemessenen Signalen zu extrahieren. Daher nehmen wir als Beispiel einen Atemzyklus aus den Echtzeittests, um den Zusammenhang zu verdeutlichen (Abb. 5b). Wenn beim Ausatmen eine Kraft ausgeübt wird, gleitet das Tribo-Paar nach außen und erzeugt einen Impuls der Ausgangsspannung mit positiver Amplitude als Übereinstimmung mit der Erkennung für den Ausatmungsvorgang. Wenn dann die ausgeübte Kraft während des Inhalationsvorgangs allmählich aufgehoben wird, gleitet das Tribo-Paar entsprechend nach innen und erzeugt einen Ausgangsspannungsimpuls mit negativer Amplitude als Übereinstimmung mit der Erfassung des Inhalationsvorgangs. Basierend auf den oben genannten Analysen können die Spannungssignale genutzt werden, um ein tiefes Verständnis von Atmungsprozessen zu erlangen.

Der Sliding Mode TENG Atemsensor zur Überwachung unterschiedlicher Atemrhythmen. a Foto des TENG-Sensors, der zur Atmungsüberwachung an der Taille getragen wird. b Die Entsprechung zwischen den Ausgangsspannungssignalen und den Vorgängen des Ausatmens und Einatmens in einem Atemzyklus. c , d Zeitverläufe der Ausgangsspannungssignale für zwei Freiwillige mit unterschiedlicher Taille (72,8 cm für c und 98,6 cm für d ) und entsprechende Ergebnisse der FFT für verschiedene Atemrhythmen

Darüber hinaus wurden zwei Freiwillige, einer im Alter von 22 Jahren mit einer Taillenlinie von 72,8 cm und ein anderer im Alter von 24 Jahren mit einer Taillenhöhe von 98,6 cm, eingeladen, die Fähigkeit des intelligenten Gürtels zu testen, das spezifische Atemverhalten verschiedener Personen widerzuspiegeln. Um die Empfindlichkeit des Geräts gegenüber unterschiedlichen Atemfrequenzen zu testen, umfassen die von den Freiwilligen angebotenen Atemprozesse drei verschiedene Atemrhythmen, d. h. normale, schnelle und tiefe Atemzüge. Während des Atemvorgangs mit unterschiedlichen Rhythmen werden die vom TENG-Sensor erzeugten elektrischen Signale erfolgreich erkannt und in Abb. 5c bzw. d für die beiden Probanden dargestellt. Die Spannungssignale sind für jeden Rhythmus wiederholbar und zuverlässig, was einen offensichtlichen Unterschied der Atemfrequenzen im Atmungsprozess darstellt. Die zeitlichen Verläufe der Ausgangsspannung (Abb. 5c und d) der beiden Probanden zeigen jeweils eine stetige Variation (konstante Frequenz und Scheitelwert) in den Abläufen von drei Atemrhythmen. Wie durch die Ergebnisse der schnellen Fourier-Transformation (FFT) in den Abb. 5c und d widergespiegelt wird, beträgt die extrahierte Frequenz der normalen, schnellen und tiefen Atemzüge 0,68, 1,10 bzw. 0,40 Hz für den 22-jährigen Freiwilligen bzw. 0,60 , 1,40 und 0,47 Hz für den 24-jährigen; das sind vernünftige Atemfrequenzen für gesunde Erwachsene [37]. Das bedeutet, dass über die elektrischen Signale die wichtigsten Informationen der Atemfrequenzen erfasst werden können. Andererseits werden die beiden Testpersonen gebeten, die Luft anzuhalten, um die durch das Symptom Apnoe verursachte Atempause zu simulieren. Dementsprechend ist in den Fig. 5c und d dargestellt, dass die Signale mit einem Wert von null Volt zwischen zwei verschiedenen Atemrhythmen etwa 10 s lang andauern. Es kann als Beurteilungsgrundlage für OSAS und als weitere Übereinstimmung für seine Diagnose und Warnung verwendet werden. Diese Ergebnisse zeigen, dass dieser TENG-Sensor nicht nur die Atemfrequenz, sondern auch die Symptome der Apnoe erkennen kann.

Darüber hinaus wurden vom Freiwilligen eine Reihe von Echtzeittests in verschiedenen Zuständen durchgeführt, um die Praktikabilität des Geräts bei verschiedenen täglichen Aktivitäten zu bestätigen. Die Spannungssignale wurden über ein Voltmeter mit einem Lastwiderstand von 100 MΩ in drei verschiedenen Zuständen gemessen, dh liegend (Fall I in Abb. 6a), sitzend (Fall II in Abb. 6b), stehend (Fall III in Abb. 6c) , und Gehen mit einer Geschwindigkeit von 3 km/h (Fall IV in Abb. 6d). Abbildung 6a zeigt die erhaltenen Spannungssignale bei liegendem Probanden, um den Atemzustand während des Schlafens zu simulieren, während Abbildung 6b-d die erfassten Spannungssignale beim Sitzen, Stehen und Gehen des Probanden darstellt, um die Atmungsprozesse bei Tagesaktivitäten zu simulieren . Alle Signale aus den Fällen I–IV zeigen stabile und anhaltende Spannungsimpulse im Takt der Variation des Bauchumfangs während der Atmung, die mit den realen Ein- und Ausatmungsprozessen übereinstimmen. Und die Atemfrequenzen werden jeweils als 0,54 Hz für Fall I, 0,52 Hz für Fall II, 0,72 Hz für Fall III und 0,65 Hz für Fall IV ermittelt. Es ist erwähnenswert, dass in der Signalwellenform beim Gehen in Fig. 6d einige Jitter vorhanden sind, die Funktionalität zur Überwachung des Atemrhythmus jedoch weiterhin erreicht wird. Die Tests in den vier Fällen demonstrieren die Eignung des Atmungssensors als tragbares Gerät zur Echtzeit-Atemüberwachung bei verschiedenen Aktivitäten des täglichen Lebens. Darüber hinaus haben wir eine langfristige kontinuierliche Atmungsüberwachung für 180 Sekunden durchgeführt und die erkannten Signale sind in Zusatzdatei 1:Abbildung S1 dargestellt. 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

Schlussfolgerungen

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.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

The data and materials used are included in the manuscript.

Abkürzungen

ADC:

Analog digital converter

FFT:

Fast Fourier transform

OSAS:

Obstructive sleep apnea syndrome

PTFE:

Polytetrafluorethylen

TENG:

Triboelektrischer Nanogenerator