高温环境下的户外工作者面临严重的热相关疾病风险，如中暑、热衰竭和昏厥。特别是由于运动引起的体内热量和环境因素，即使在非高温环境下，仍可能发生运动性中暑。随着全球气候变化加剧，极端高温事件变得更加频繁和严重，中暑的预防和健康监测变得尤为重要。通过评估中暑风险并监控工人健康，可以调整工作时间表以确保安全。
近日，中国农业大学肖新清副教授团队在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“Self-powered flexible wearable wireless sensing for outdoor work heatstroke prevention and health monitoring”。研究者提出并开发了一种自供电柔性可穿戴无线传感系统，用于户外作业防暑降温和健康监测(SWSM)。SWSM由两部分组成，一部分是基于柔性无线传感(WPFS)的可穿戴防暑贴片，可持续监测穿戴者的生理指标。另一部分是基于太阳能(SPDS)的自供电设备，可以产生毫安级电流为WPFS供电。通过这些指标，佩戴者的活动类别由多层感知器(MLP)模型来确认。WPFS包含PVDF-HFD纳米纤维冷却膜(PNCF)、基于柔性摩擦电纳米发电机(TENG)的按钮(B-TENG)和功能传感组件。PNCF覆盖范围内的温度比环境温度低12%。B-TENG用于调整模式。基于佩戴者的生理指标，可以创建中暑风险评估方程来评估中暑的潜在风险，最后将数据展示在物联网(IoT)平台上。
图1展示了SWSM的整体概况。SWSM分为两部分，一部分是为整个装置供电的SPDS.SPDS是可弯曲的，可以粘贴在太阳帽或头盔上。另一部分是WPFS。该贴片也是可弯曲的，对皮肤无刺激，并且具有高粘性。它附着在人的前额表面，可以贴合皮肤，用于监测THO值、加速度和角速度值。这些数值通过蓝牙模块传输到手机上，让户外工作者可以随时了解自己的健康状况。
图1： SWSM示意图
制备了一种附着在WPFS外层的高性能纳米纤维冷却膜，作为柔性可穿戴系统的热管理方法，确保设备在室外高温下稳定运行。图2显示了PNCF的光学表征和热分析。(a)丙烯酸板上的PNCF，箭头显示PNCF的SEM图像。(b)PNCF的反射特性包括PNCF的反射光谱和平均反射率。(c)PNCF的发射特性，包括PNCF的发射率光谱、平均发射率和大气窗口的平均发射率。(d)11:00至17:00室外高温条件下空气、PDMS、硅树脂和PNCF的温度变化。(e)连续五天的可重复实验突出了PNCF优越的冷却效果。(f)从11:00至13:30，将PDMS、硅树脂、PNCF和裸露的WPFS外层置于室外高温下，与空气温度曲线一起，形成五个温度曲线。(g)WPFS的红外图像。(h)室外温度测试的物理现场。
图2：PNCF的光学表征和热分析
图3展示了B-TENG的性能分析和原理。(a)B-TENG的实物图。(b)垂直接触-分离模式的理论模型滕具有两个摩擦层都是附着介质材料的电极结构。(c)B-TENG结构的剖面图和每个结构的厚度尺寸。(d)B- TENG上部的结构。(e)B- TENG下部的结构。(f)B-TENG高频按压的电压信号图，(g)B-TENG低频按压的电压信号图。
图3：B-TENG图
图4展示了SPDS的性能分析。(a)SPDS模式被系统化，并标有每一分层结构的图表。(b)SPDS平面模型示意图。(c)太阳能电池板阵列的电路分布图。(d)单一太阳能电池板在某一太阳光强度下的开路电压曲线。(e)在某一太阳光强度下，单块太阳能电池板的短路电流曲线。
图4；光能采集图
图5展示了SWSM的实际应用。以步行、慢跑、跳跃、坐站和上下楼梯这六种活动为例，评估了佩戴者在户外进行这些活动时中暑的风险。(a)在训练期间迭代时期相对于MLP模型准确度的曲线。(b)迭代时期相对于训练期间MLP模型损失的曲线。(c)六项活动类别模型的混淆矩阵。(d)从特异性、召回率和精确度这三个指标方面对模型的测试进行了评估。(e)四种模型的准确性比较。(f)人体活动类别、血氧、体温、心率、风险评分和其他指标显示在OneNET平台。
图5：应用图
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156431.
人物简介：
肖新清，中国农业大学机械工程系副教授，博士生导师。中国农业大学优秀人才、B类青年新星，2024年美国斯坦福大学和爱思唯尔联合发布的全球前2%顶尖科学家。长期致力于智慧农业领域农食信息感知与智能装备、智能传感领域关键技术研究。目前，以第一或通讯作者在Chemical Engineering Journal、Materials Today Chemical、 Materials Today Sustainability、Journal of Cleaner Production等发表学术论文80余篇，入选ESI高被引论文5篇，ESI热点论文3篇，累计引用1400余次，H指数22；以第一完成人获中国技术市场协会三农科技服务金桥奖、中国发明协会创业创新奖等一等奖、二等奖各1项，以第二完成人获长城食品安全科技进步一等奖1项，以第四完成人获新疆生产建设兵团科技进步奖省部级三等奖1项，获中国仪器仪表学会科技进步奖省部级二等奖1项（排名15）；获授权国家发明专利20件，软件著作权6件；参与制定地方校准规范1项；研究成果分别依托北京、天津、山东、四川等多地企业以技术合作等方式开展了推广应用取得显著经济社会效益，并被央视《我爱发明》、《中国产业科技》、《中国高新科技》、《科技成果管理与研究》、《科学中国人》等媒体杂志以专题/封底人物等形式进行了报道。担任国际学术会议大会组委会成员、分论坛主席，并作国际学术会议主旨报告、国内会议特邀报告等；担任国际期刊《Journal of Agriculture and Livestock Farming》主编、SCI期刊《Food Quality and Safety》助理编辑、ESCI期刊《Advances in Agriculture》学术编辑、期刊《Modern Agriculture》副编委及相关期刊编委/客座编辑；同时担任北京食品学会冷链物流专委会副秘书长、中国检测检验学会测试装备分会量值溯源专委会委员。
