Nanogenerador triboeléctrico inalámbrico wearable para monitorización respiratoria en tiempo real

Resumen

La frecuencia respiratoria es un biomarcador crítico para detectar trastornos respiratorios como apnea obstructiva del sueño y fibrosis quística. Los monitores clínicos convencionales son voluminosos e inadecuados para uso cotidiano, mientras que los dispositivos de salud móvil requieren soluciones ligeras y sin energía. Presentamos un nanogenerador triboeléctrico (TENG) inalámbrico wearable para cintura que detecta cambios en la circunferencia abdominal para producir una señal eléctrica autoalimentada. Modelado teórico, pruebas mecánicas y ensayos con voluntarios confirman que el dispositivo rastrea con precisión las tasas de respiración en diferentes ritmos, estados de actividad y tamaños corporales, mientras entrega datos inalámbricamente a un smartphone. Esto demuestra una alternativa práctica y de bajo costo para monitorización respiratoria continua en la vida diaria.

Introducción

La degradación global de la calidad del aire y el envejecimiento poblacional aumentan la prevalencia de enfermedades respiratorias. La monitorización continua no invasiva de la respiración puede proporcionar alerta temprana para condiciones como síndrome de apnea obstructiva del sueño (SAOS) y fibrosis quística. El equipo de monitorización tradicional suele ser engorroso, requiere energía externa y no es adecuado para uso prolongado en casa. Los avances recientes en redes móviles y electrónica de bajo consumo han despertado interés en sensores de salud flexibles y wearables. Los nanogeneradores triboeléctricos (TENG) son ideales para esta aplicación: son ligeros, producen energía de alta densidad y son seguros para contacto con la piel. Se han desarrollado numerosos dispositivos basados en TENG para frecuencia cardíaca, pulso y monitorización fisiológica general, pero pocos se dirigen a la respiración.

Nuestro trabajo introduce un cinturón inteligente que aprovecha la expansión y contracción natural del abdomen durante la respiración. El cinturón contiene un TENG de modo deslizante que convierte la deformación mecánica en voltaje alterno sin energía externa. La señal se amplifica, digitaliza y transmite vía módulo inalámbrico a un smartphone, proporcionando datos respiratorios en tiempo real.

Métodos

Arquitectura del Dispositivo

El sistema wearable comprende un cinturón bicapa, un TENG de modo deslizante y un módulo de transmisión inalámbrica. Las capas inelásticas y deformables del cinturón permiten el deslizamiento controlado del par triboeléctrico del TENG manteniendo la comodidad. El TENG usa una película de PTFE de 100 µm (material tribo-negativo) y una película de nailon de 30 µm (material tribo-positivo) con electrodos de cobre de 50 µm. El dispositivo de 5 × 5 cm se encierra en una funda plástica para asegurar contacto consistente durante la respiración.

Figura 1. (a) Diseño del cinturón wearable. (b) Configuración de prueba mecánica. (c) Circuitos de transmisión inalámbrica.

Medición Eléctrica

La salida de voltaje se registró con un electrómetro Keysight B2983A. La salida de alta impedancia del TENG requirió un seguidor de voltaje para igualar la entrada del módulo inalámbrico y un circuito de cambio de nivel para convertir la señal bipolar a unipolar para conversión ADC.

Principio de Detección

La respiración induce un desplazamiento trapezoidal de la circunferencia abdominal. Este desplazamiento impulsa el par triboeléctrico a deslizarse hacia afuera durante la exhalación y hacia adentro durante la inhalación, produciendo una forma de onda de voltaje sinusoidal. Las cuatro etapas —contacto íntimo, deslizamiento hacia afuera, pausa y deslizamiento hacia adentro— corresponden al ciclo respiratorio.

Figura 2. Mecanismo de funcionamiento y cuatro etapas de movimiento del TENG de modo deslizante.

Modelo Teórico

Modelamos el desplazamiento x(t) como una forma de onda trapezoidal y derivamos el voltaje de salida V(t) usando teoría TENG establecida. El modelo predice una relación lineal entre voltaje pico y amplitud de deslizamiento, validada por experimentos (Ec. 3: V_pico = 0.01383 X_max + 0.0092).

Resultados y Discusión

Validación del Modelo

La predicción analítica coincidió estrechamente con el voltaje medido durante respiración simulada, confirmando la precisión del modelo y guiando la optimización del diseño.

Prueba Mecánica

Usando una máquina de estiramiento, variamos la amplitud de deslizamiento de 2.5 a 30 mm a 0.5 Hz. El voltaje de salida aumentó linealmente con el desplazamiento, con un voltaje pico de 1.2 V a 30 mm. Incluso un desplazamiento de 2.5 mm produjo una señal medible, indicando idoneidad para la respiración humana.

Figura 4. (a) Sensor en el estirador. (b) Voltaje vs. desplazamiento y fuerza. (c) Voltaje a varias amplitudes. (d) Voltaje pico y fuerza vs. desplazamiento.

Monitorización en Tiempo Real

Pruebas con voluntarios en posiciones acostado, sentado, de pie y caminando demostraron pulsos de voltaje estables correspondientes a la respiración. Las frecuencias respiratorias variaron de 0.54 Hz (acostado) a 0.72 Hz (de pie). El análisis FFT confirmó extracción precisa de frecuencia para respiraciones normales, rápidas y profundas. Una pausa de apnea de 10 segundos también fue detectada, mostrando potencial para cribado de SAOS.

Figura 6. Señales de voltaje durante diferentes actividades: (a) acostado, (b) sentado, (c) de pie, (d) caminando.

Transmisión Inalámbrica

El módulo inalámbrico, alimentado por una pequeña batería, digitaliza la salida del TENG y la transmite vía Bluetooth a un smartphone. Aunque la amplitud de señal se atenúa debido a la alta impedancia de entrada y tasa de muestreo, la forma de onda representa fielmente los ciclos respiratorios y permite cálculo preciso de la frecuencia respiratoria.

Figura 7. (a) Configuración del sistema inalámbrico. (b) Visualización en smartphone de forma de onda respiratoria. (c) Señal respiratoria procesada.

Conclusiones

Hemos fabricado un cinturón de cintura ligero y sin batería que convierte la respiración abdominal en una señal eléctrica medible usando un TENG de modo deslizante. El dispositivo rastrea con precisión la frecuencia respiratoria en diversas actividades, detecta eventos de apnea y entrega datos inalámbricamente a un dispositivo móvil. Su bajo costo, simplicidad y alta sensibilidad lo convierten en una plataforma prometedora para monitorización respiratoria continua en casa y detección temprana de enfermedades.

Disponibilidad de Datos y Materiales

Todos los datos y materiales están incluidos en el manuscrito.