針對當(dāng)前醫(yī)療可穿戴設(shè)備在持續(xù)監(jiān)測心率、血氧飽和度及汗液成分時因LED光源和無線傳輸功耗大而需配備笨重電池的難題，韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）電氣工程學(xué)院權(quán)敬河教授團(tuán)隊攜手美國西北大學(xué)樸燦浩博士團(tuán)隊，開發(fā)出一種利用環(huán)境光源并結(jié)合多種光能管理技術(shù)的新型自適應(yīng)無線可穿戴平臺，實現(xiàn)全天候連續(xù)測量。

該研究成果發(fā)表于國際頂級期刊《自然通訊》（Nature Communications），由人工智能半導(dǎo)體博士項目博士生樸度允（Do Yun Park）共同第一作者。

三大核心技術(shù)協(xié)同，實現(xiàn)高效低功耗

為突破傳統(tǒng)醫(yī)療傳感器對電池依賴，KAIST團(tuán)隊設(shè)計了整合三大光能技術(shù)的創(chuàng)新平臺：

1. 光度法（Photometric Method）：該技術(shù)根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)度動態(tài)調(diào)節(jié)LED亮度，結(jié)合自然環(huán)境光與LED光源以保持恒定總照明強(qiáng)度。在自然光強(qiáng)時自動降低LED功率，弱光時提升亮度。實驗證明，在光線充足條件下，該方法能將LED功耗降低達(dá)86.22%。

2. 光伏法（Photovoltaic Method）：采用高效多結(jié)太陽能電池，超越傳統(tǒng)太陽能板，可在室內(nèi)外環(huán)境均有效轉(zhuǎn)換光能為電力，配合無線電力接收線圈，進(jìn)一步提升供能效率。

3. 光致發(fā)光法（Photoluminescent Method）：通過在傳感器硅膠封裝中混合氧化鍶鋁微粒，白天吸收并儲存光能，夜間緩慢釋放，實現(xiàn)即使在完全黑暗中，照射10分鐘后仍可連續(xù)測量2.5分鐘的續(xù)航支持。

三者相互配合，白天依賴光度法與光伏法，夜間由光致發(fā)光法補(bǔ)充，確保設(shè)備實現(xiàn)24小時不間斷運(yùn)行。

智能電源管理與邊緣計算，大幅降低能耗

該平臺搭載自適應(yīng)電源管理系統(tǒng)，依據(jù)光伏供電及電池狀態(tài)智能切換11種電源模式，實現(xiàn)功耗最優(yōu)化。同時，內(nèi)置傳感器邊緣計算功能，僅傳輸必要數(shù)據(jù)，將無線通信數(shù)據(jù)量從400字節(jié)/秒降低至4字節(jié)/秒，減少100倍，顯著降低無線發(fā)射能耗。

多環(huán)境下傳感器表現(xiàn)優(yōu)異，適用多種醫(yī)療監(jiān)測

研究團(tuán)隊將該平臺應(yīng)用于多種醫(yī)療傳感器，包括實時監(jiān)測心率和血氧飽和度的光電容積脈搏傳感器（PPG）、藍(lán)光劑量計（準(zhǔn)確測量導(dǎo)致皮膚老化的藍(lán)光）、及利用微流控技術(shù)同時檢測汗液中的鹽分、葡萄糖和pH值，幫助及時發(fā)現(xiàn)脫水及電解質(zhì)失衡問題。

在明亮室內(nèi)、暗光、紅外及全黑環(huán)境中進(jìn)行的測試表明，該設(shè)備的測量精度與商業(yè)醫(yī)療設(shè)備相當(dāng)。小鼠模型實驗亦證實其在缺氧狀態(tài)下血氧測量的準(zhǔn)確性。

展望未來，推動健康監(jiān)測邁向預(yù)防醫(yī)學(xué)

權(quán)教授表示：“本技術(shù)將推動醫(yī)療模式由治療中心轉(zhuǎn)向預(yù)防中心，實現(xiàn)真正的24小時健康監(jiān)測。早期診斷的成本效益和下一代可穿戴健康設(shè)備市場的技術(shù)競爭力都將大幅提升?！?/p>

參考文獻(xiàn)：Chanho Park et al, Adaptive electronics for photovoltaic, photoluminescent and photometric methods in power harvesting for wireless wearable sensors,?Nature Communications?(2025).?DOI: 10.1038/s41467-025-60911-1

編輯：王洪

排版：李麗