穿戴式感測器不再有電池焦慮
你一定遇過這種小小的慌亂：才剛開始運動，健身追蹤器就沒電了。原本用來監測心率、消耗熱量和運動強度的裝置，轉眼間就成了戴在手腕上的一塊無用塑膠。找充電線的煩躁、裝置得不斷插電補充電力的不便，以及使用拋棄式電池帶來的環境罪惡感，長期困擾著穿戴式科技產業。日本研究人員開發出一項技術，有望讓這些煩惱成為過去。東京理科大學的研究團隊製作出一種可貼附在皮膚上的薄型貼片，能直接從人體汗液發電，完全不需要充電電池或充電線。
這項突破的核心，是一種水性酵素墨水，可透過單步驟網版印刷，在紙質基材上製作完整的生物燃料電池。研究於2026年2月6日在線刊登於《ACS Applied Engineering Materials》，顯示其峰值功率密度約為每平方公分165微瓦（約每平方英寸1,065微瓦），電壓為0.63伏特。這樣的輸出足以驅動低耗能生物感測器並進行無線資料傳輸，有望改變我們在運動、臨床照護與日常生活中監測健康的方式。這項創新代表能源來源的一大轉變：從儲存能源轉向擷取能源，並以人體自身的化學作用作為燃料。
領導研究團隊的東京理科大學理學與應用化學系副教授信田伊佐夫表示，研究目標是克服製造上的障礙，讓類似技術不再多年受困於實驗室。團隊研發出可一次均勻印刷的墨水，為電池-free穿戴式生物感測器的大量生產開闢了實用途徑。全球穿戴式醫療裝置市場規模正接近1,950億美元之際，這項發展也正好回應了該領域最迫切的工程挑戰之一：去除電池。
將人體化學作用轉化為電力
這些裝置稱為酵素生物燃料電池（EBFC），利用生物酵素促進體液中的化學反應來發電。本研究使用的主要燃料是乳酸，這是一種存在於汗液中的代謝副產物。運動時，肌肉在消耗葡萄糖以產生能量的過程中會生成乳酸，其中一部分會隨汗液排出體外。日本研究人員設計的系統可測量約1至25毫莫耳的乳酸濃度，涵蓋從輕度活動到劇烈運動等實際運動情境。
這種電化學反應的原理簡潔明瞭。在其中一個電極，酵素協助從乳酸分子中取出電子。接著，電子經由外部電路移動，形成電流。在另一個電極，周遭空氣中的氧氣接收這些電子，完成反應。電子持續流動，為感測與資料傳輸提供可用電力，不必儲存電荷，也不需要外部電源。由於裝置仰賴人體自然生成的化學物質，走路、運動或從事日常工作時，都能被動發電。
同一研究團隊先前已證明，這種輸出功率足以驅動低功耗藍牙系統，讓裝置不靠電池也能以無線方式傳送汗液乳酸讀數。如此便形成一個自供電監測循環：活動越劇烈，流汗越多，可用於傳輸身體狀況資料的電力也越充足。這種特性對穿戴式健康監測尤其重要，代表身體最需要監測時，感測器的運作能力也正好更強。
突破生產瓶頸
多年來，酵素生物燃料電池在實驗室中展現出發展潛力，但製造上的挑戰阻礙了技術普及。傳統製程包含多個耗費人力的步驟：製造商必須先印製碳電極層，再分別將酵素和介體溶液滴鑄到表面，最後等待不均勻的薄膜乾燥。這種多階段製程會造成裝置間差異顯著，使品質控管變得困難，也不利於大量生產。液體滴落量或乾燥時間稍有不同，就可能造成不同貼片的功率和感測表現產生差異。
為了解決這項挑戰，信田伊佐夫副教授與團隊成員，包括東京理科大學的大森真尋女士，以及RES0NAC Co. Ltd的花崎充先生，研發出一種配方，將這些容易出錯的步驟整合為單一可印刷層。這項創新的關鍵，是將活性化學成分預先混入可印刷墨水，讓兩個電極都能透過網版一次印製在薄紙基材上。
為了避免耗費人力、效率低落且成本高昂的EBFC製程，我們必須推出能均勻印刷、適合大量生產的酵素墨水。
網版印刷已廣泛應用於工業製造，因此這項技術有望順利整合至現有生產線。水性配方不含可能損害敏感酵素結構的有機溶劑，確保生物成分在印刷後仍保有活性。整合製程可降低裝置間的差異，接下來的挑戰則是將實驗室印製的成果轉化為耐用的穿戴式感測器，讓工廠能實際量產。
調配理想墨水
要製作穩定且適合印刷的酵素墨水，必須仔細平衡多種成分。研究團隊將以氧化鎂為模板製成的介孔碳（一種表面積極大的多孔材料），與能促進電子轉移的化學介體混合，並加入一種名為POLYSOL的新型水性黏結劑。這種聚合物乳液能與碳表面牢固結合，同時在多孔結構中為酵素維持穩定環境。羧甲基纖維素則用來增稠，使墨水達到適合網版印刷的黏稠度。
加入羧甲基纖維素尤其重要。《Nature》刊載的相關研究顯示，這種添加劑能改善介孔碳墨水的分散性，並增加材料內部孔隙的可及性。過去的研究發現，在類似的碳配方中加入羧甲基纖維素，可使最大電流密度增加一倍以上，功率密度則提升至未添加該成分電極的2.5倍以上。
生物燃料電池製造過程中，最棘手的部分一直是陰極，也就是利用氧氣、讓電子完成迴路的電極。負責處理氧氣的酵素特別敏感，使用傳統製造方法很難穩定保存。日本團隊將膽紅素氧化酶直接加入與電池其他部分相同的可印刷墨水中，一次印刷便製成穩定且效能良好的陰極。這是首次成功以酵素墨水網版印刷出功能完整的陰極，排除了生物燃料電池擴大生產的最後一項主要瓶頸。
效能貼近真實生活
電化學測試顯示，印刷電極的效能大幅超越傳統滴鑄電極。完整的乳酸－氧氣生物燃料電池，最高功率密度達每平方公分165微瓦，工作電壓為0.63伏特，遠高於類似系統先前報告的每平方公分96微瓦，代表穿戴式應用的能量擷取效率取得重大進展。
可靠性測試也展現出同樣出色的結果。滴鑄電極通常在幾分鐘至幾小時內，活性就會降至初始值的一半以下，原因是酵素分布不均且與基材附著不佳。相較之下，酵素墨水電極在長時間測試中衰退極小，能維持穩定效能，這對實際穿戴應用至關重要。
系統能在健康人士運動時常見的生理乳酸濃度範圍內有效運作，約為每公升1至25毫莫耳。這與自然汗液化學成分相符，是裝置能否在現實生活中實用的關鍵。團隊也透過卷對卷印刷展示其可擴展性，連續印製約1,312英尺（400公尺）的基材，證明此製程可應用於工業規模。儲存測試則顯示，在攝氏5度的真空環境下，酵素活性保存效果最佳，為商業產品的運輸方式提供了可行方向。
運動與醫療照護應用
自供電汗液感測器的潛在用途涵蓋多個領域。在運動科學中，即時監測乳酸可立即回饋運動強度與肌肉疲勞狀況，運動員不必停下來抽血。教練可監測疲勞閾值，運動員可調整配速，訓練量也能根據即時生化資料而非估算值調整。汗液乳酸與血液乳酸之間的關係仍相當複雜，但用於運動表現監測時，兩者的相關性已足以提供有實用價值的參考。
在醫療照護情境中，持續監測代謝狀況或能協助及早發現健康問題。在護理之家和長照機構，患者未必能清楚表達症狀。脫水、熱壓力和感染初期都會以可測量的方式改變汗液化學成分。若能使用持續運作的自供電皮膚貼片，或許可在傳統定期檢查發現異常前數小時，就發出警示。對臨床人員而言，這種預警能力代表能更快介入、減少緊急狀況升級，並改善患者預後。對患者來說，薄如紙張、只需貼在皮膚上的貼片，則能消除所有影響配合使用的障礙。
類似感測器也有助於預防中暑，在炎熱天氣讓日常活動變得危險時，及早偵測代謝警訊。在術後復原和慢性病管理方面，同樣可採用這種低負擔的監測模式，持續收集資料，克服過去使用電池供電裝置時難以維持監測的問題。
環境與經濟影響
單看每一台穿戴式裝置似乎很小，但累積的環境影響相當可觀。2022年全球產生約6,830萬噸電子廢棄物，當中只有約22%有紀錄顯示獲得妥善回收。免電池貼片無法單獨解決電子廢棄物危機，尤其是設計為一次性用品時，但可減少對微型電池的需求，並大幅簡化裝置設計。
去除數十年來一直是穿戴式感測器設計主流的鈕扣電池，可同時減少體積、成本與環境衝擊。對於目前需要更換電池，或必須連同有毒成分一併丟棄的拋棄式醫療貼片而言，這項技術提供更乾淨的替代方案，完全以人體自然產生的化學物質運作。
從經濟角度來看，這項技術有望大幅降低成本。若整台裝置都能透過完整網版印刷製程製造，每台成本可能降至約10日圓，讓拋棄式或大規模穿戴應用在經濟上變得可行。全球穿戴式醫療裝置市場預計2030年將超過1,950億美元，這項技術有望成為市場上的顛覆性力量。
邁向上市仍面臨挑戰
儘管成果令人振奮，汗液供電生物燃料電池要廣泛應用於商用裝置，仍有不少工作要做。紙質基材必須證明能承受汗液、彎折和日常活動，同時維持效能。酵素可能因溫度變化、接觸氧氣和穿戴期間的環境條件而逐漸失去活性。研究團隊指出，經過進一步最佳化、長期驗證並整合至穿戴式平台後，技術或許要到2030年前後才能實際應用。
要在現實生活中發揮價值，貼片必須穿戴舒適、讀數穩定，並能在不同體型和活動量下，為臨床人員與使用者提供清楚的訊號。卷對卷印刷展示證明了製造方式可擴展，但從實驗室條件轉為消費產品，仍須經過嚴格的耐用性測試與臨床驗證。研究人員預期，待這些最後的障礙排除後，印刷業者和醫療器材製造商可能會是採用這項技術的主要對象。
若能克服這些挑戰，應用情境不難想像。即時乳酸追蹤可協助運動員精準調整訓練強度，持續監測代謝狀況則有助於最需要被動、低負擔監測的照護環境。這項技術可作為感測器的基礎，讓人們只要穿戴裝置，就能監測自身身體狀況，進而為打造更安全、健康的社會盡一份力。
重點整理
- 東京理科大學的日本研究人員研發出水性酵素墨水，可透過單步驟網版印刷製作汗液供電生物燃料電池，達到每平方公分165微瓦、0.63伏特的效能。
- 這項技術利用酵素反應將汗液中的乳酸轉換為電力，讓穿戴式感測器不必使用電池，且供電量足以支援低功耗藍牙傳輸。
- 傳統多步驟製程容易造成裝置效能差異；新的酵素墨水則可在紙質基材上同步印製兩個電極，單台成本有望降至約10日圓。
- 系統可測量1至25毫莫耳的乳酸濃度，符合實際運動情境，有望用於運動員、長者照護患者的持續健康監測，以及中暑預防。
- 技術預計約於2030年前後實際應用，仍待進一步提升儲存穩定性、完成長期驗證，並整合至穿戴式平台。
