日本科学家发明“尿电池”，可以放在尿不湿中驱动传感器，从而实时监测其中的尿量，为医患护理提供便利。

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作者 | 林风

编辑 | 张昊 高佩雯

太阳光、照明光、机械振动、热振动，甚至动植物的体液，都存在能够被转化的能量，只是这些能量通常非常微弱，难以为人所用。但基础技术和制造工艺的进步，改变了这些闲散能量的应用前景。

日前，日本立命馆大学的科学家，利用尿可作为电解质溶液的特性，开发出了能感知纸尿裤消耗程度的“尿电源”，以及与之匹配的尿量传感器。该研究为病患护理问题提供了解决方案。

尿电源有望解决病患护理难题

科学家研究尿发电技术，显然不是为了和尿泥。这项技术的应用场景非常明确，就是为了病患护理，并且已经进展到了产品测试阶段。

婴儿以及下肢瘫痪的人群，需要经常性地穿着纸尿裤，看护人员要定期关注纸尿裤是否应该更换，无形之中造成了一定的看护压力和心理负担。

如果将能够感受排尿的传感器嵌入纸尿裤，就可以及时通知看护人员更换纸尿裤，让医患双方都获得极大便利。

类似的设想，其实并非什么高科技，之前也有相关产品面世，具体形式五花八门。不过，无论采用何种传感电路设计，都需要解决电力问题，没有电源的传感器显然无法工作。

传统的传感器需要很大的驱动电压才能工作，设计人员不得不用干电池或纽扣电池去驱动它们，这和纸尿裤的设计初衷相悖：

从佩戴者的角度来说，新产品不应增加额外的负担和不适感。从看护者的角度来说，则希望产品结构尽量简单，使用尽量容易，特别是不希望有安装、更换电池一类的繁琐作业。此外，整个电路的成本必须足够低，以满足一次性的使用要求。

这样一来，电路中就不应该出现传统的驱动电源。那么，谁来扮演电源的角色呢？研究人员想到了尿液本身。

尿电源如何发挥作用

尿中存在着多种离子，算得上是一种电解质溶液，这给用尿发电提供了可能。

研究人员在尿不湿内布置了片状的活性炭阴极和铝箔阳极，它们与尿一起构成了电池。然后是解决传感器和电路的问题。

由于尿电池产生的能量仅在微瓦级别，研究人员需要精妙构思，才能利用如此微小的能量来驱动传感器。最终，他们想到了利用微型电容来存储微弱电量。当蓄积的能量足够大时，电容就会自动放电，通过无线电路向外界释放脉冲信号。

之后能量清零，等待下一次放电过程。

尿量较大时，尿电池可以为电容提供较为稳定的充电电压，后者将不断得到能量，从而不断向外释放脉冲。根据脉冲的释放频率，外部的信号接收系统将其与尿量对应，我们就能知道纸尿裤吸收的实时尿量。

印刷电子技术可将上述部件以非常低成本的方式布置到尿不湿中，最终产品的价格将能进入合理范围。

除了尿，植物体液也可以用来发电

研究人员还实验了多种环境发电技术，其中植物体液电池技术的难度，比尿电池还高了不少。

因为植物体液虽然也是电解质溶液，但与尿量相比，其分散性更高，相对某处的液量也就更低。前面提到的尿电源可提供微瓦级别的能量，而植物体液能提供的仅其百分之一。这使其更难驱动外界无线传感电路。

不过，目前研究团队已经成功制造出超低功耗的无线传感电路，它们与植物体液电池配合后，能够测量出植物体内的体液含量变化。

这对农业自动化意义重大。未来农业生产中，利用安置在某些植株上的体液传感器，就能实时推算出农田的灌溉需求，实现智能生产。

参考文献：

1. An RF Distance Sensor Utilizing Harmonic Signal from Rectenna for Power-Controlled Wireless Power Transmission System to Wearable Devices 2020 IEEE International Conference on Consumer Electronics(ICCE)

https://edas.info/web/2020icce/papertitles.html