发展人力生物电子学

在这次采访中，亚速姆向陈军教授讲述了他在生物电子学方面的最新研究，以及他如何成功开发出一种能将人体运动转化为电能的人用生物电子学。

是什么激发了你对生物电子学的最新研究?

自从我开始我的博士学位。2012年在亚特兰大乔治亚理工学院学习时，我对基于材料接触带电的摩擦电纳米发电机和能量收集技术产生了兴趣。不幸的是，这种能量收集技术遇到了普遍的挑战，如极低的电流密度和高的内阻，这是由其通过操纵材料界面上的电偶极子的电容发电原理引起的。亚博网站下载

更重要的是，它们的电输出性能容易受到由出汗和人体流体环境引起的环境湿度的影响，这严重限制了它们在人体上的实际应用。封装层将增强器件的抗湿性；然而，它通常会严重影响生物力学到电能转换效率。我花了近十年的时间试图找出解决这些问题的方法。

图片来源:whitehoune / Shutterstock.com

你能概述一下什么是生物电子学以及它们的一些应用吗?

生物电子学描述了电子学和生命系统交叉点的学科。通过开发本质上防水、自供电的生物电子学，它可以有各种身体上的保健应用，如自供电的心率监测器或呼吸传感器。

等功能内在的防潮性能、高电流,和较低的内部阻力,我们设想发明梅格与通用的形式可以广泛采用建立通用的软生物电子学、开放实际human-body-centered能源新途径,传感,并在物联网时代的疗法。

什么是“磁弹性效应”?这与您的最新研究有何关联?

磁弹性效应——材料在机械应力下磁场的变化——通常在像Tb这样的刚性金属合金中观察到_xDy_1-x菲_2.(Terfenol-D)和遗传算法_x菲_1-x（伽非诺），外加磁场。

传统的磁弹性效应在生物电子学领域被忽视，原因有三:(1)刚性金属合金的机械模量比人体高6个数量级;(2)磁弹性合金所需要的机械应力超出了生物力学应力的范围;(3)它们依赖于外部磁场而形成庞大的结构。我们是世界上第一个在不依赖外部磁场的软系统中发现巨磁弹性效应的研究小组。

为什么人类生物电子设备领域的研究迄今为止举步维艰?

如前所述，由于在生物力学应力范围内的最佳机械-磁转换效率有限，到目前为止，现有的人力生物电子设备还不是一个实际的解决方案。

此外，外部磁场的要求导致了结构的复杂性，磁合金与人体组织的机械模量存在巨大的不匹配(6个数量级的差异)。

你能描述一下你是如何进行你的最新研究来设计一个人力生物电子设备的吗？

在这项工作中；

1. 我们在一维软微纤维中发现了巨磁弹性效应，与传统大块金属合金相比，磁机械耦合增强了4倍。它不需要外部磁场来进行机械-磁转换，而金属合金通过外部永磁体或大型电磁铁需要高达950 Oe的外部磁场。
2. 为了充分理解它，我们建立了一个基于磁偶极-偶极相互作用的波链解析模型，该模型与实验观测相一致。
3. 为了证明其实用性，我们进一步将软系统中发现的巨磁弹性效应与磁感应耦合起来，发明了一种新型磁弹性发生器(MEG)，它以前所未有的高短路电流密度和超低的内阻抗为生物力学-电能转换开辟了新的道路，比社区同类产品提高了3个数量级。

图片来源:程军/加州大学洛杉矶分校

该设备如何将人体动作（如弯曲肘部）转化为电能？

巨磁弹性效应能够将应力转化为局部磁场变化，当与磁感应耦合时，可进一步利用局部磁场变化发电。因此，我们研制了一种软磁磁导仪，其中包括一个巨磁机械耦合（GMMC）层和一个图案化液态金属接收器作为磁感应（MI）层。

它的机理包括两个步骤的转换过程:巨大的磁弹性效应用于生物力学到磁的转换和磁感应用于磁到电的转换。由于磁场变化可以通过水而没有显著的强度下降，软磁致伸缩器本质上是防水的，可以在沉重的汗水下稳定运行。

与传统的生物电子设备相比，人工传感器的一些优势是什么?

生物电子学正在彻底改变人类生活的未来，将医学和医疗保健领域重塑为更加个性化的形式。在即将到来的物联网时代，生物力学-电学能量转换是实现自供电生物电子学的一条有前途的途径。

您是否相信，通过人类生物电子技术，我们可以进一步推进可穿戴和可植入诊断传感器领域?

我们预期，基于巨磁弹性效应的软磁极的发明，将为生物力学能量转换铺平另一条道路，并为广泛的可能性打开大门。

你研究生物电子学的下一步是什么？

我们将使用新颖的材料和先进的设备设计亚博网站下载来构建各种生物电子产品，可用于可穿戴或可植入的发电机和生物医学传感器，为以人体为中心的应用开辟新的途径。

读者在哪里可以找到更多的信息?

文章链接:https://www.nature.com/yabo214articles/s41563-021-01093-1

加州大学洛杉矶分校新闻报道:https://samueli.ucla.edu/ucla-bioengineers-develop-new-class-of-human-powered-bioelectronics/

关于陈军教授

陈俊博士目前是加州大学洛杉矶分校塞缪尔利工程学院生物工程系的助理教授。他的研究重点是纳米技术和生物电子学，以智能纺织品、可穿戴设备和身体区域网络的形式应用于能源、传感和治疗。
他已经出版了两本书，190篇期刊文章，其中100篇是美国的通讯作者yabo214采购产品化学评论，化学学会评论，自然材料，自然电子，自然通讯，科学进展，焦耳，物质亚博网站下载亚博老虎机网登录，以及其他许多。他的作品曾七次被《自然与科学》杂志重点报道，并被包括CNN、ABC、NBC、NPR、新闻周刊、华尔街日报在内的全球亚博老虎机网登录主流媒体报道了1200多次‎, 路透社和《科学美国人》。他已经申请了14项美国专利，其中包括一项授权专利。陈博士被科学网选为材料科学领域最具影响力的研究人员之一。亚博网站下载
他的诸多荣誉包括Informa颁发的30位生命科学领袖观察奖、加州大学洛杉矶分校海亚博老虎机网登录尔曼学会奖、大川基金会研究奖、化学。Soc。牧师。新兴研究员奖,先进材料亚博网站下载冉冉升起的星星，ACS纳米冉冉升起的星星讲师奖，IAAM科学家奖章，2020年Altmetric前100名，安大略科学中心2020年十大科学故事，科学网2020/2019年被高度引用的研究人员，亚博老虎机网登录化学前沿冉冉升起的新星,JMCA新兴研究者奖、纳米尺度新兴研究者奖和MINE2020青年科学家优秀奖。
最近，通过文献计量学数据分析，陈博士被评为全球纳米发电机领域第二大最具影响力的研究人员，仅次于先驱王忠林教授。除了研究外，他还是生物传感器与生物电子学.