可穿戴传感器的电池焦虑终结了
你一定经历过这样的瞬间：刚开始锻炼，健身追踪器就没电了。原本用来监测心率、燃烧卡路里和运动强度的设备，突然变成了腕上一块毫无用处的塑料。找充电线令人烦恼，设备需要不断插墙充电也很不方便，而一次性电池还会带来环保负担，这些问题长期困扰着可穿戴技术行业。日本研究人员开发出一项技术，有望让这些烦恼成为过去。东京理科大学的一个团队研制出一种可贴在皮肤上的薄型贴片，能够直接利用人体汗液发电，从而完全不再需要充电电池或充电线。
这项突破的核心是一种水基酶墨水，可通过单步丝网印刷，在纸质基底上制成完整的生物燃料电池。该研究于2026年2月6日在线发表于《ACS应用工程材料》，结果显示，在0.63伏电压下，峰值功率密度约为每平方厘米165微瓦（约每平方英寸1,065微瓦）。这一输出足以为低能耗生物传感器和无线数据传输供电，有望改变人们在运动、临床护理和日常生活中监测健康的方式。这项创新标志着从储存能量转向采集能量的根本性变化，以人体自身的化学反应作为能源。
领衔研究团队的东京理科大学理学与应用化学系副教授岛田功表示，研究目标是突破制造瓶颈。多年来，类似技术一直困在实验室中。通过研发能一次均匀印制的墨水，团队为电池零依赖的可穿戴生物传感器实现规模化生产开辟了切实可行的路径。这项成果问世之际，全球可穿戴医疗设备市场规模正接近1,950亿美元，而取消电池是该领域最迫切的工程挑战之一。
将人体化学反应转化为电能
这类设备称为酶生物燃料电池（EBFC），它利用生物酶驱动体液中的化学反应来发电。本研究使用的主要燃料是乳酸，它是汗液中的一种代谢副产物。运动时，肌肉消耗葡萄糖获取能量，并产生乳酸；其中一部分会通过汗液排出体外。日本研究人员设计的系统可测量约1至25毫摩尔的乳酸浓度，涵盖从轻度活动到高强度体力运动等真实运动状态。
这一电化学过程简单而巧妙。在一侧电极，酶帮助从乳酸分子中提取电子。电子随后通过外部电路流动，形成电流。在另一侧电极，周围空气中的氧气接收这些电子，使反应得以完成。电子持续流动，为传感和数据传输提供可用电力，无需储存电荷或外接电源。由于设备依靠人体自然产生的化学物质，人在步行、锻炼或进行日常活动时，就能被动发电。
该研究团队此前的研究已证明，这种电力输出可以驱动低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy）系统，使设备无需电池辅助，就能无线传输汗液中的乳酸读数。由此形成一个自供电监测闭环：运动越剧烈，出汗越多，进而可用于传输身体状况数据的电力也越充足。对于可穿戴健康监测而言，这种关系意义重大。这意味着身体最需要监测时，传感器恰好能获得更充足的电力。
突破生产瓶颈
多年来，酶生物燃料电池在实验室中展现出应用潜力，但制造难题一直阻碍其广泛应用。传统制造方法需要多个劳动密集型步骤：制造商必须先印制碳电极层，再分别将酶和介体溶液滴涂到表面，最后等待不均匀的薄膜干燥。这个多阶段流程会导致不同设备之间差异显著，使质量控制变得困难，也不适合规模化生产。液体滴涂量或干燥时间的微小差异，都可能导致不同贴片的功率和传感性能发生变化。
为解决这一难题，东京理科大学的岛田功副教授及其团队成员大森真寻女士，以及RESONAC有限公司的花崎充先生开发出一种新配方，将这些易出问题的步骤整合到一层可印刷材料中。其创新之处在于将活性化学成分预先混入可印刷墨水，使两侧电极都能通过网版在薄纸基底上一次印制完成。
为了避免劳动密集、效率低下且成本高昂的EBFC制造工艺，我们需要推出一种能够均匀印刷、适合规模化生产的酶墨水。
丝网印刷已广泛应用于工业制造，这意味着这项技术有望顺利融入现有生产线。水基配方不含可能损害精细酶结构的有机溶剂，确保生物组分在印刷后仍能保持活性。将工序整合后，设备之间的差异随之减少，接下来的挑战则是将实验室印制的产品转化为耐用的可穿戴传感器，让工厂能够真正投入生产。
调配理想墨水
要制成稳定且适合印刷的酶墨水，需要仔细平衡多种组分。研究团队将氧化镁模板介孔碳（一种表面积极大的多孔材料）与促进电子转移的化学介体混合。他们还加入了一种名为POLYSOL的新型水基黏合剂。这种聚合物乳液能够牢固附着在碳表面，同时为多孔结构中的酶维持稳定环境。羧甲基纤维素则用作增稠剂，使墨水达到适合丝网印刷的稠度。
羧甲基纤维素的加入尤其重要。《自然》发表的相关研究显示，这种添加剂能够提高介孔碳墨水的分散性，并增加材料内部孔隙的可接触性。在此前的研究中，在类似碳材料配方中加入羧甲基纤维素后，最大电流密度提高了一倍以上，功率密度则比未添加该成分的电极提高了2.5倍以上。
生物燃料电池制造中最棘手的环节或许一直是阴极，即利用氧气、让电子完成电路的电极。处理氧气的酶特别敏感，采用传统制造方法很难让其保持稳定。日本团队将胆红素氧化酶直接加入与电池其他部分相同的可印刷墨水中，从而一次印制出稳定且性能出色的阴极。这是首次利用酶墨水成功丝网印制出功能完整的阴极，为可规模化生产生物燃料电池扫清了最后一个主要瓶颈。
性能契合真实生活
电化学测试显示，印制电极的性能显著优于传统滴涂电极。完整的乳酸-氧气生物燃料电池最高功率密度达到每平方厘米165微瓦，工作电压为0.63伏。这大幅超过此前类似系统每平方厘米96微瓦的报告值，标志着可穿戴应用的能量采集效率取得重大进展。
可靠性测试也取得了同样令人瞩目的结果。滴涂电极通常会在几分钟到几小时内衰减至初始活性的不到一半，原因是酶分布不均且与基底附着力较差。酶墨水电极在较长时间的测试中几乎没有衰减，性能保持稳定，这对于实际可穿戴应用至关重要。
该系统在健康人士运动时的生理乳酸浓度范围内运行良好，约为每升1至25毫摩尔。与天然汗液化学成分相符，是设备在现实环境中实用化的关键。团队还通过卷对卷印刷演示验证了其扩展能力，连续印制了约1,312英尺（400米）的基底，证明这种制造方法适用于工业规模生产。在真空条件下以5摄氏度储存的测试显示，这种条件最有利于保持酶活性，为商业产品的运输方案提供了方向。
体育与医疗保健领域的应用
自供电汗液传感器的潜在应用涵盖多个领域。在运动科学中，实时监测乳酸可以立即反馈运动强度和肌肉疲劳情况，运动员无需停下来抽血。教练可以监测疲劳阈值，运动员可以优化配速，训练负荷也可依据实时生化数据而非估算进行调整。汗液乳酸与血乳酸之间的关系仍较复杂，但对于运动表现监测，两者的相关性已足以提供切实可用的信息。
在医疗场景中，持续代谢监测有助于及早发现健康问题。在养老院和老年护理机构，患者未必总能清晰表达症状。脱水、热应激和感染早期都会以可测量的方式改变汗液成分。持续工作的自供电皮肤贴片可能在传统的定时检查发现异常前数小时就发出提示。对临床医护人员而言，这种预警能力意味着能够更快干预、减少紧急情况升级，并改善患者预后。对患者来说，薄如纸片、贴在皮肤上即可使用的贴片消除了依从性方面的各种障碍。
类似传感器还可能用于预防中暑，在高温天气使简单活动变成危险挑战时，检测早期代谢预警信号。在术后康复和慢性病管理中，同样这种低负担的监测模式也能发挥作用，持续收集数据，而过去使用依赖电池的设备很难做到这一点。
环境与经济影响
单个可穿戴设备看起来很小，但累积起来的环境影响却十分可观。2022年，全球产生约6,830万吨电子废弃物，其中只有约22%有记录显示得到妥善收集和回收。无电池贴片无法独自解决电子废弃物危机，尤其是当它们被设计为一次性产品时；但它们有望减少对微型电池的需求，并显著简化设备设计。
去除长期主导可穿戴传感器设计的纽扣电池，可以同时减少体积、成本和环境影响。对于目前需要更换电池或连同有毒组件一起丢弃的一次性医疗贴片，这项技术提供了一种更环保的替代方案，完全依靠人体自身产生的化学物质运行。
从经济角度看，这项技术有望大幅降低成本。如果整台设备都能采用全丝网印刷工艺制造，单台生产成本可降至约10日元，使一次性产品或大规模可穿戴应用在经济上变得可行。这项技术有望成为全球可穿戴医疗设备市场的潜在颠覆者；分析师预测，到2030年，该市场规模将超过1,950亿美元。
迈向市场仍面临挑战
尽管结果令人鼓舞，但汗液供能生物燃料电池要广泛应用于商业设备，还需要进一步研发。纸质基底必须证明能够经受汗液、弯折和日常活动而不损失性能。温度变化、氧气暴露和佩戴期间的环境条件都可能使酶逐渐失效。团队指出，在进一步优化、进行长期验证并与可穿戴平台集成后，这项技术才有望接近2030年实现实用化。
这项技术的实际价值取决于贴片是否舒适、读数是否稳定，以及能否针对不同体型和活动水平，为临床医护人员和用户提供清晰信号。卷对卷印刷演示虽然证明了制造工艺可扩展，但从实验室条件迈向消费产品仍需严格的耐久性测试和临床验证。研究人员预计，待这些最后的障碍消除后，印刷企业和医疗器械制造商可能会成为采用该技术的有力人选。
如果这些挑战得到解决，其应用前景不难想象。实时追踪乳酸可以帮助运动员精细调整运动强度，持续代谢监测则能为最需要低负担被动监测的护理场景提供支持。这项技术有望成为相关传感器的基础，人们只需佩戴传感器即可监测自身身体状况，从而助力建设更安全、更健康的社会。
要点
- 东京理科大学的日本研究人员开发出一种水基酶墨水，可通过单步丝网印刷制造汗液供能生物燃料电池，在0.63伏电压下实现每平方厘米165微瓦的功率密度。
- 这项技术利用酶促反应将汗液中的乳酸转化为电能，免去可穿戴传感器对电池的需求，供电能力足以支持低功耗蓝牙传输。
- 传统多步骤制造方法会造成设备性能差异，而新型酶墨水可在纸质基底上同时印制两侧电极，单台成本有望降至约10日元。
- 该系统可测量1至25毫摩尔的乳酸浓度，与真实运动条件相符，有望用于运动员、老年护理患者的持续健康监测以及中暑预防。
- 这项技术的实际应用目标时间约为2030年，前提是进一步优化储存稳定性、完成长期验证，并与可穿戴平台集成。
