该文档发表于《Nano Energy》期刊第93卷（2022年），文章编号106851，已于2021年12月16日在线发布。研究的主要作者包括梁珊（电子科技大学）、韩业超（中国科学院深圳先进技术研究院）、张王林翰（电子科技大学）、钟天燕（电子科技大学）、关红叶（电子科技大学）、宋亚锋（北京体育大学）、张妍（电子科技大学）、邢丽丽（电子科技大学）、薛欣宇（电子科技大学，通讯作者）、李光林（中国科学院深圳先进技术研究院，通讯作者）和詹阳（中国科学院深圳先进技术研究院，通讯作者）。这项研究属于纳米能源、生物医学工程与运动科学的交叉领域，具体聚焦于自供能可穿戴电子设备、生理状态监测和神经调控技术。

研究的学术背景源于对提升运动耐力表现方法的持续探索。传统训练方法提升有限，而一些生物医学方法成本高昂，甚至存在运动员使用有害兴奋剂的风险。同时，已有研究表明，对大脑特定区域（如内侧前脑束，Medial Forebrain Bundle, MFB）进行电刺激可以增强动物的运动动机和持久力，且不增加生理负担。然而，现有的脑机接口系统通常依赖外部电源，存在刚性、笨重、需频繁充电等问题，限制了其在运动场景中的应用。因此，本研究旨在开发一种全新的、完全自供能的、可穿戴的“身体检测/脑刺激”一体化系统。该系统能够实时监测运动员的关键生命体征，并利用采集到的身体运动能量为自己供电，进而根据生理信号向大脑发送神经刺激信号，最终目标是安全、有效地提升运动耐力表现。研究的核心目标是实现一种无需外部电源、可穿戴、集能量采集、生理监测与神经调控于一体的闭环系统，为运动科学和健康监测提供创新工具。

研究的工作流程包含几个紧密衔接的环节：系统设计与集成、能量采集与生理监测单元的性能表征、人体生理状态监测验证、以及基于动物模型的神经刺激效果评估。

首先，研究团队设计并集成了整个自供能可穿戴系统。该系统包含四个核心部分：1）能量采集器：采用锆钛酸铅压电双晶片，附着于人体肩部，将手臂摆动等运动机械能转化为电能。2）身体监测单元：其核心是一个听诊器式的柔性器件，内置经过极化的聚偏氟乙烯压电薄膜。该单元通过医用级胶带贴附于皮肤表面，将呼吸、颈动脉搏动和心跳引起的微小机械振动转化为压电传感信号。3）数据处理模块：该模块包含整流电路、储能电容（100 μF）以及控制电路，负责处理生理信号（如分析心率频率）并决定是否触发以及如何触发神经刺激信号。4）脑刺激电极：用于将电脉冲信号传递至大脑目标区域。整个系统集成在柔性基底上，实现自供能运行。

其次，研究团队对能量采集器和生理监测单元进行了详细的性能表征。对于身体监测单元，研究测试了其在不同弯曲角度和频率下的压电输出性能，证实其输出电压与弯曲角度正相关，而与弯曲频率无关，且具有良好的稳定性（20天内输出稳定）和耐久性（弯曲2000次后性能不变）。SEM图像显示了PVDF薄膜和银电极的均匀结构。对于能量采集器，实验表明，当志愿者摆动手臂时，PZT双晶片可产生高达25V的峰值电压。在特定弯曲条件下，其最大输出功率可达约82.95 μW，并能在约3.28分钟内将一个100 μF电容充电至12V，证明了其从人体运动中收集能量并为系统供电的可行性。

第三，研究在人体上验证了身体监测单元的功能。四名不同身体质量指数和运动习惯的志愿者参与了测试。监测单元被分别放置于三个位置：1）上腹部近胸部，用于监测呼吸。结果显示，运动后所有志愿者的呼吸频率和信号幅度均显著增加。2）颈部颈动脉处，用于监测脉搏。信号波形清晰显示了收缩峰、反射波峰和舒张峰等特征，运动后脉搏频率和信号幅度也明显上升。3）左胸下部，用于监测心跳。运动后心率和信号幅度同样升高。研究进一步利用测得的心率数据计算了每位志愿者的运动强度百分比，并将其归类于不同的运动区间（如热身、燃脂、有氧耐力等），证明了该设备可用于量化运动负荷。

第四，也是验证系统核心功能的关键环节，研究在小鼠模型上进行了神经刺激实验。研究使用了八只两个月大的雄性C57BL/6J小鼠。首先，通过立体定位手术将两根刺激电极精确植入小鼠双侧的内侧前脑束区域，术后恢复一周。行为学实验包括7天的适应期和2天的测试期。测试时，小鼠被放置在跑轮上。它们被随机分为两组，在两天测试中以平衡顺序接受“刺激”或“不刺激”处理。刺激由前述自供能系统触发，参数为双相脉冲（每串50个脉冲，每个脉冲2毫秒，频率250赫兹，每串间隔2.9秒），且仅在小鼠奔跑过程中施加。通过视频记录分析小鼠的奔跑行为。实验结束后，通过脑组织切片和荧光染色验证了电极植入位置的准确性，最终有五只小鼠的数据被用于分析。

研究的主要结果如下： 1. 系统集成与性能表征结果：成功研制出集能量采集、生理监测、数据处理与神经刺激于一体的柔性自供能可穿戴原型系统。身体监测单元和能量采集器均表现出可靠的机电转换性能和稳定性，为系统自供能运行和精准监测奠定了基础。 2. 人体生理监测结果：身体监测单元成功捕获了呼吸、颈动脉搏动和心跳等多种生理信号，并能清晰区分运动前后的生理状态变化。计算出的运动强度百分比表明，该设备能够有效评估运动负荷，为后续智能触发神经刺激提供了可靠的输入信号逻辑（例如，文中提到当检测到心率超过150 BPM/2.5 Hz时，系统会停止输出刺激以避免过度运动）。 3. 小鼠神经刺激行为学结果：这是本研究最关键的发现。数据分析表明，电刺激并未改变小鼠在测试期间的总奔跑距离、总持续时间、平均奔跑距离或速度。然而，当将每次奔跑事件按距离分为短、中、长距离三类时，发现了选择性增强效应：与不刺激相比，接受MFB电刺激后，小鼠中距离奔跑事件在总奔跑距离、持续时间和事件数量上的占比平均显著下降（分别下降40.38%、30.62%和21.64%）；而长距离奔跑事件在总奔跑距离、持续时间和事件数量上的占比平均显著上升（分别上升14.66%、13.64%和47.14%）。此外，单次奔跑事件的最大距离在刺激后平均增加了72.75%。这些结果清晰地表明，自供能系统产生的MFB电刺激并没有普遍提高小鼠的运动活跃度，而是特异性地促使小鼠将奔跑模式从较短的中距离奔跑转向更持久的长距离奔跑，即有效提升了耐力表现。

研究的结论是，团队成功设计并验证了一种新型的自供能可穿戴身体检测/脑刺激系统。该系统能高灵敏度、高精度地检测多项生理参数，并能作为脑刺激器与大脑交互，从而提升运动和锻炼的耐力表现。通过向小鼠大脑MFB区域施加自供能产生的神经刺激，可以特异性增强其长距离奔跑的能力。这项研究为新兴的可穿戴脑机接口系统提供了一种全新的自供能解决方案，在临床运动机能学、生理状态医学监测以及未来提升人类运动能力方面具有巨大的应用潜力。

本研究的亮点在于： 1. 完整的自供能闭环系统：首次实现了一个从能量采集（利用人体运动）、到生理信息感知（呼吸、脉搏、心跳）、再到智能数据处理与反馈（神经刺激）的完全自供能、可穿戴的闭环脑机接口系统原型。 2. 面向实际应用的创新设计：采用柔性压电材料（PVDF, PZT）和听诊器式封装，使监测单元能舒适、稳定地贴附于人体起伏的皮肤表面，适合运动场景。 3. 明确且具有转化意义的研究目标：将前沿的纳米能源技术与神经科学、运动科学相结合，旨在解决提升运动耐力的实际需求，避免了传统药物或外部供电设备的弊端。 4. 严谨的动物实验验证：通过严谨的小鼠行为学实验设计（自身对照、平衡顺序）和精确的脑区靶向（MFB），不仅证明了系统的功能性，更揭示了神经刺激对运动模式的特异性调控（促进长跑而非普遍增加活动），这一发现比单纯增加总运动量更具科学价值和潜在的应用安全性启示。 5. 跨学科的深度整合：研究涵盖了从材料科学（压电材料）、器件物理（能量采集与传感）、电子工程（电路设计）、到神经生物学（脑区定位、行为分析）和运动医学（生理参数解读）等多个学科，体现了高度的交叉融合特性。

这项研究不仅报道了一个具体的技术设备，更重要的是展示了一种“自供能-感知-调控”一体化的新范式。它将可穿戴电子从被动的信息监测，推向了一个能主动干预、形成生物-机器交互闭环的新阶段，为未来智能健康、康复医疗和人体增强领域的发展提供了重要的技术思路和实验依据。