磁致彈性效應(yīng)是指當(dāng)微小的磁鐵不斷被機(jī)械壓力推到一起和拉開時材料磁化程度的變化，磁致彈性效應(yīng)通常在剛性合金中觀察到材料在機(jī)械應(yīng)力下的磁性變化，其機(jī)械模量與人體組織的機(jī)械模量顯著不同，因此限制了其在生物電子學(xué)中的應(yīng)用。人們一直在努力制造可從人體運(yùn)動中收集能量的可穿戴發(fā)電機(jī)，為傳感器和其他設(shè)備供電，但缺乏實(shí)用性阻礙了這種進(jìn)展。例如，具有磁致彈性效應(yīng)的剛性金屬合金不能充分彎曲以壓縮皮膚并為可行的應(yīng)用產(chǎn)生有意義的功率水平。其他依賴靜電的設(shè)備往往不會產(chǎn)生足夠的能量。它們的性能也會在潮濕條件下或皮膚上有汗水時受到影響。一些科學(xué)家試圖封裝此類設(shè)備以防止水進(jìn)入，但這會降低其有效性。近日，加州大學(xué)洛杉磯分校陳俊等人發(fā)現(xiàn)了磁致彈性效應(yīng)可以存在于一個柔軟而靈活的系統(tǒng)中，而不僅僅是在剛性系統(tǒng)中。為此，他們發(fā)明了一種新型柔軟靈活的自供電生物電子設(shè)備。該技術(shù)將人體運(yùn)動（從彎曲肘部到微妙的運(yùn)動，如手腕上的脈搏）轉(zhuǎn)化為電能，可用于為可穿戴和植入式診斷傳感器供電。該成果發(fā)表在Nature Materials上。
為了證明他們的概念，該團(tuán)隊(duì)使用分散在紙一樣薄的硅膠基質(zhì)中的微型磁鐵來產(chǎn)生磁場，該磁場隨著基質(zhì)的起伏而改變強(qiáng)度。隨著磁場強(qiáng)度的變化，就會產(chǎn)生電力。于此，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)造了一個小型、靈活的磁彈性發(fā)電機(jī)，由鉑催化的有機(jī)硅聚合物基質(zhì)和釹-鐵-硼納米磁鐵制成。然后，他們用柔軟、有彈性的硅膠帶將其固定在受試者的肘部。他們觀察到的磁致彈性效應(yīng)是具有剛性金屬合金的類似尺寸裝置的4倍。結(jié)果，該設(shè)備產(chǎn)生每平方厘米 4.27 毫安的電流，比次優(yōu)的同類技術(shù)好10,000 倍。
圖|軟系統(tǒng)中的巨磁彈性效應(yīng)事實(shí)上，柔性磁致彈性發(fā)生器非常靈敏，可以將人體脈搏波轉(zhuǎn)換為電信號，并充當(dāng)自供電、防水的心率監(jiān)測器。產(chǎn)生的電力還可用于為其他可穿戴設(shè)備提供可持續(xù)的動力，例如汗液傳感器或溫度計。此外，潮濕的環(huán)境（例如出汗）通常會影響設(shè)備的運(yùn)行，然而，該新型可穿戴磁致彈性發(fā)電機(jī)即使在人工汗液中浸泡一周后仍能很好地進(jìn)行測試。綜上所述，柔性磁致彈性復(fù)合材料用于可拉伸和防水的磁致彈性發(fā)電機(jī)，可貼合人體皮膚。此類設(shè)備可用作可穿戴或植入式發(fā)電機(jī)和生物醫(yī)學(xué)傳感器，為以人體為中心的應(yīng)用開辟了替代途徑。Zhou, Y., Zhao, X., Xu,J. et al. Giant magnetoelastic effect in soft systems for bioelectronics. Nat.Mater. (2021).https://doi.org/10.1038/s41563-021-01093-1
