Nanogénérateur triboélectrique portable sans fil pour la surveillance respiratoire en temps réel

Résumé

Le rythme respiratoire est un biomarqueur critique pour détecter les troubles respiratoires tels que l'apnée obstructive du sommeil et la fibrose kystique. Les moniteurs cliniques conventionnels sont encombrants et inadaptés à un usage quotidien, alors que les dispositifs de santé mobile nécessitent des solutions légères et sans alimentation externe. Nous présentons un nanogénérateur triboélectrique (TENG) sans fil, porté à la taille, qui détecte les changements de circonférence abdominale pour produire un signal électrique auto-alimenté. La modélisation théorique, les tests mécaniques et les essais sur volontaires confirment que le dispositif suit avec précision les rythmes respiratoires à travers différents rythmes, états d'activité et tailles corporelles, tout en transmettant les données sans fil à un smartphone. Cela démontre une alternative pratique et peu coûteuse pour la surveillance respiratoire continue dans la vie quotidienne.

Introduction

La dégradation de la qualité de l'air mondiale et le vieillissement de la population augmentent la prévalence des maladies respiratoires. Une surveillance continue et non invasive de la respiration peut fournir une alerte précoce pour des conditions telles que le syndrome d'apnée obstructive du sommeil (SAOS) et la fibrose kystique. L'équipement de surveillance traditionnel est souvent encombrant, nécessite une alimentation externe et est inadapté à un usage domestique à long terme. Les avancées récentes dans les réseaux mobiles et l'électronique à faible consommation ont suscité l'intérêt pour les capteurs de santé flexibles et portables. Les nanogénérateurs triboélectriques (TENG) sont idéaux pour cette application : ils sont légers, produisent une énergie de haute densité et sont sans danger pour le contact cutané. De nombreux dispositifs basés sur TENG ont été développés pour la fréquence cardiaque, le pouls et la surveillance physiologique générale, mais peu ciblent la respiration.

Notre travail introduit une ceinture intelligente qui exploite l'expansion et la contraction naturelles de l'abdomen pendant la respiration. La ceinture contient un TENG à mode glissant qui convertit la déformation mécanique en tension alternative sans alimentation externe. Le signal est amplifié, numérisé et transmis via un module sans fil à un smartphone, fournissant des données respiratoires en temps réel.

Méthodes

Architecture du dispositif

Le système portable comprend une ceinture bicouche, un TENG à mode glissant et un module de transmission sans fil. Les couches inextensible et déformable de la ceinture permettent un glissement contrôlé du couple triboélectrique du TENG tout en maintenant le confort. Le TENG utilise un film PTFE de 100 µm (matériau tribo-négatif) et un film nylon de 30 µm (matériau tribo-positif) avec des électrodes en cuivre de 50 µm. Le dispositif de 5 × 5 cm est enfermé dans une gaine en plastique pour assurer un contact constant pendant la respiration.

Figure 1. (a) Conception de la ceinture portable. (b) Configuration de test mécanique. (c) Circuit de transmission sans fil.

Mesure électrique

La tension de sortie a été enregistrée avec un électromètre Keysight B2983A. La sortie à haute impédance du TENG nécessitait un suiveur de tension pour correspondre à l'entrée du module sans fil et un circuit de décalage de niveau pour convertir le signal bipolaire en unipolaire pour la conversion ADC.

Principe de détection

La respiration induit un déplacement trapézoïdal de la circonférence abdominale. Ce déplacement entraîne le couple triboélectrique à glisser vers l'extérieur pendant l'expiration et vers l'intérieur pendant l'inspiration, produisant une forme d'onde de tension sinusoïdale. Les quatre étapes — contact intime, glissement vers l'extérieur, pause, et glissement vers l'intérieur — correspondent au cycle respiratoire.

Figure 2. Mécanisme de fonctionnement et quatre étapes de mouvement du TENG à mode glissant.

Modèle théorique

Nous modélisons le déplacement x(t) comme une forme d'onde trapézoïdale et dérivons la tension de sortie V(t) en utilisant la théorie établie des TENG. Le modèle prédit une relation linéaire entre la tension de crête et l'amplitude de glissement, validée par les expériences (Éq. 3 : V_crête = 0,01383 X_max + 0,0092).

Résultats et discussion

Validation du modèle

La prédiction analytique correspondait étroitement à la tension mesurée lors de la respiration simulée, confirmant la précision du modèle et guidant l'optimisation du design.

Test mécanique

En utilisant une machine d'étirement, nous avons varié l'amplitude de glissement de 2,5 à 30 mm à 0,5 Hz. La tension de sortie augmentait linéairement avec le déplacement, avec une tension de crête de 1,2 V à 30 mm. Même un déplacement de 2,5 mm produisait un signal mesurable, indiquant l'adéquation pour la respiration humaine.

Figure 4. (a) Capteur sur l'étireuse. (b) Tension vs déplacement et force. (c) Tension à diverses amplitudes. (d) Tension de crête et force vs déplacement.

Surveillance en temps réel

Les tests sur volontaires en position allongée, assise, debout et en marche ont démontré des impulsions de tension stables correspondant à la respiration. Les fréquences respiratoires allaient de 0,54 Hz (allongé) à 0,72 Hz (debout). L'analyse FFT a confirmé l'extraction précise de la fréquence pour respirations normales, rapides et profondes. Une pause d'apnée de 10 secondes a également été détectée, montrant le potentiel pour le dépistage du SAOS.

Figure 6. Signaux de tension pendant différentes activités : (a) allongé, (b) assis, (c) debout, (d) marche.

Transmission sans fil

Le module sans fil, alimenté par une petite batterie, numérise la sortie du TENG et la transmet via Bluetooth à un smartphone. Bien que l'amplitude du signal soit atténuée en raison de l'impédance d'entrée élevée et du taux d'échantillonnage, la forme d'onde représente fidèlement les cycles respiratoires et permet un calcul précis du rythme respiratoire.

Figure 7. (a) Configuration du système sans fil. (b) Affichage smartphone de la forme d'onde respiratoire. (c) Signal respiratoire traité.

Conclusions

Nous avons fabriqué une ceinture abdominale légère, sans batterie, qui convertit la respiration abdominale en un signal électrique mesurable à l'aide d'un TENG à mode glissant. Le dispositif suit avec précision le rythme respiratoire à travers diverses activités, détecte les événements d'apnée et transmet les données sans fil à un appareil mobile. Son faible coût, sa simplicité et sa haute sensibilité en font une plateforme prometteuse pour la surveillance respiratoire continue à domicile et la détection précoce des maladies.

Disponibilité des données et matériaux

Toutes les données et matériaux sont inclus dans le manuscrit.