Nanogerador Triboelétrico Vestível e Sem Fio para Monitoramento Respiratório em Tempo Real

Resumo

A taxa respiratória é um biomarcador crítico para detectar distúrbios respiratórios como apneia obstrutiva do sono e fibrose cística. Monitores clínicos convencionais são volumosos e inadequados para uso diário, enquanto dispositivos de saúde móvel requerem soluções leves e sem energia. Apresentamos um nanogerador triboelétrico (TENG) vestível na cintura, sem fio, que detecta mudanças na circunferência abdominal para produzir um sinal elétrico autoalimentado. Modelagem teórica, testes mecânicos e ensaios com voluntários confirmam que o dispositivo rastreia com precisão taxas respiratórias em diferentes ritmos, estados de atividade e tamanhos corporais, enquanto transmite dados sem fio para um smartphone. Isto demonstra uma alternativa prática e de baixo custo para monitoramento respiratório contínuo na vida diária.

Introdução

A degradação global da qualidade do ar e o envelhecimento populacional aumentam a prevalência de doenças respiratórias. Monitoramento contínuo e não invasivo da respiração pode fornecer alerta precoce para condições como síndrome de apneia obstrutiva do sono (SAOS) e fibrose cística. Equipamentos de monitoramento tradicionais são frequentemente incômodos, requerem energia externa e são inadequados para uso doméstico de longo prazo. Avanços recentes em redes móveis e eletrônica de baixa potência despertaram interesse em sensores de saúde vestíveis e flexíveis. Nanogeradores triboelétricos (TENGs) são ideais para esta aplicação: são leves, produzem energia de alta densidade e são seguros para contato com a pele. Numerosos dispositivos baseados em TENG foram desenvolvidos para frequência cardíaca, pulso e monitoramento fisiológico geral, mas poucos visam a respiração.

Nosso trabalho introduz um cinto inteligente que aproveita a expansão e contração natural do abdômen durante a respiração. O cinto contém um TENG de modo deslizante que converte deformação mecânica em tensão alternada sem energia externa. O sinal é amplificado, digitalizado e transmitido via módulo sem fio para um smartphone, fornecendo dados respiratórios em tempo real.

Métodos

Arquitetura do Dispositivo

O sistema vestível compreende um cinto bicamada, um TENG de modo deslizante e um módulo de transmissão sem fio. As camadas inelástica e deformável do cinto permitem deslizamento controlado do par triboelétrico do TENG mantendo conforto. O TENG usa filme de PTFE de 100 µm (material tribo-negativo) e filme de nylon de 30 µm (material tribo-positivo) com eletrodos de cobre de 50 µm. O dispositivo de 5 × 5 cm é envolto em manga plástica para garantir contato consistente durante a respiração.

Medição Elétrica

Saída de tensão foi registrada com eletrometro Keysight B2983A. A saída de alta impedância do TENG requereu um seguidor de tensão para igualar a entrada do módulo sem fio e um circuito de deslocamento de nível para converter o sinal bipolar em unipolar para conversão ADC.

Princípio de Sensoriamento

A respiração induz deslocamento trapezoidal da circunferência abdominal. Este deslocamento impulsiona o par triboelétrico a deslizar para fora durante exalação e para dentro durante inalação, produzindo forma de onda de tensão senoidal. As quatro etapas — contato íntimo, deslizamento para fora, pausa e deslizamento para dentro — correspondem ao ciclo respiratório.

Modelo Teórico

Modelamos o deslocamento x(t) como forma de onda trapezoidal e derivamos a tensão de saída V(t) usando teoria estabelecida de TENG. O modelo prevê relação linear entre tensão de pico e amplitude de deslizamento, validada por experimentos (Eq. 3: V_pico = 0,01383 X_máx + 0,0092).

Resultados e Discussão

Validação do Modelo

A predição analítica correspondeu de perto à tensão medida durante respiração simulada, confirmando a precisão do modelo e guiando otimização do design.

Teste Mecânico

Usando máquina de tração, variamos amplitude de deslizamento de 2,5 a 30 mm a 0,5 Hz. A tensão de saída aumentou linearmente com deslocamento, com tensão de pico de 1,2 V a 30 mm. Mesmo deslocamento de 2,5 mm produziu sinal mensurável, indicando adequação para respiração humana.

Monitoramento em Tempo Real

Testes com voluntários em deitado, sentado, em pé e caminhando demonstraram pulsos de tensão estáveis correspondentes à respiração. Taxas respiratórias variaram de 0,54 Hz (deitado) a 0,72 Hz (em pé). Análise FFT confirmou extração precisa de frequência para respirações normais, rápidas e profundas. Uma pausa de apneia de 10 segundos também foi detectada, demonstrando potencial para triagem de SAOS.

Transmissão Sem Fio

O módulo sem fio, alimentado por pequena bateria, digitaliza a saída do TENG e transmite via Bluetooth para smartphone. Embora a amplitude do sinal seja atenuada devido à alta impedância de entrada e taxa de amostragem, a forma de onda representa fielmente ciclos respiratórios e permite cálculo preciso da taxa respiratória.

Conclusões

Fabricamos um cinto de cintura leve, sem bateria, que converte respiração abdominal em sinal elétrico mensurável usando TENG de modo deslizante. O dispositivo rastreia com precisão taxa respiratória em diversas atividades, detecta eventos de apneia e entrega dados sem fio a dispositivo móvel. Seu baixo custo, simplicidade e alta sensibilidade o tornam plataforma promissora para monitoramento respiratório doméstico contínuo e detecção precoce de doenças.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Todos os dados e materiais estão incluídos no manuscrito.