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具有广泛应变敏感性的可穿戴传感器的开发

来源:HQBUY 发布时间:2021-07-16

摘要: 人类的许多身体机能都通过皮肤的机械变形表现出来——从肌肉和关节的拉伸、弯曲和运动到手腕脉搏的颤动。这些机械变化可以通过测量全身不同部位的不同应变水平来检测和监测。

人类的许多身体机能都通过皮肤的机械变形表现出来——从肌肉和关节的拉伸、弯曲和运动到手腕脉搏的颤动。这些机械变化可以通过测量全身不同部位的不同应变水平来检测和监测。



近年来,很多注意力都集中在可穿戴传感器上,以测量这些应变以用于个人健康监测。其中一些传感器可以检测高级 (40-100%) 应变,例如与手指和四肢关节运动相关的应变,其他传感器可以检测中级 (10-40%) 应变,如吞咽和面部运动还有一些对手腕脉搏和声带振动中观察到的低水平 (<1%-10%) 应变敏感。


由于其最高水平的导电性和稳定性,这些类型的传感器非常受欢迎的材料是 PEDOT:PSS 或聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐。以前,已经开发出非常灵敏的 PEDOT:PSS 应变传感器,可以检测来自非常微小的运动 (<1%) 的应变,但 PEDOT:PSS 薄膜固有的拉伸性较差,因此在用于测量较大应变时会导致性能和功能水平下降(>20%)。通过添加有弹性的聚合物或弹性体来解决这个问题的尝试导致了增加的弹性,但降低了检测小应变的灵敏度。


寺崎生物医学创新研究所的一个协作团队通过设计一种可有效检测各种应变的可穿戴应变传感设备来应对这些挑战。为了最大限度地发挥这种传感器的弹性,TIBI 研究人员从自然界中发现的一个例子中汲取灵感。众所周知,蛇在吞食猎物时能够伸展到正常体型的数倍。在仔细检查蛇皮后,研究人员观察到蛇皮上覆盖着重叠的鳞片。当施加压力时,这些鳞片会相互滑过,并被置换成分离的鳞片,皮肤散布在它们之间。这赋予皮肤非凡的弹性。


研究人员在制造传感器时使用了这种设计理念。涂上一层薄薄的 PEDOT:PSS 并烘烤到弹性体胶带上。然后将该层拉伸至实验优化的 50% 应变水平。该过程导致裂缝和微尺度碎片的形成,或在层表面形成“孤岛”,其中散布着 PEDOT:PSS 区域。这些暴露的区域用作粘合点,用于应用第二层 PEDOT:PSS 薄层。一旦应用,第二层被进一步拉伸到 100% 的应变水平,从而产生额外的岛屿和区域,与第一层的岛屿和区域自然对齐。当从拉伸中释放出来时,会形成一个带有重叠岛屿的结构,模仿蛇的鳞片结构。


“这种传感器开发的关键在于其新颖的结构设计,”首席研究员张世明博士说。“这使我们的设备能够以高灵敏度测量各种应变水平。”


PEDOT:PSS 双层被固定在一层水凝胶上;选择柔软的凝胶状水凝胶作为底层,因为它可以贴在受试者的皮肤上,并提供生物相容性和可穿戴舒适性。将铜线和弹性体密封件添加到传感器中,并进行了各种实验以测试其检测各种应变的能力。


在低范围应变测试中,手腕脉搏的测量是在休息时和运动后进行的。在发声和发声期间,还测量了颈部皮肤和组织的运动。为了检测中度应变,在吞咽过程中测量眉毛运动和喉部的上下运动。在高水平应变测试中,测量了不同程度的肘部弯曲。


实验结果表明,TIBI 传感器产生了明确定义的信号,其灵敏度范围为两个数量级。这些信号准确地反映了检测到的相应运动的度数和角度。此外,该传感器还表现出优异的导电性、耐用性和再现性。


这种广泛的可穿戴传感器的多功能性可应用于无数生物医学需求,例如监测心脏或循环功能,帮助发声或吞咽困难的受试者,或用于身体康复和运动表现评估。它还可以用于诸如改善在嘈杂环境中工作的人的交流或监控与面部表情相关的心理状况等创造性应用。


“这里展示的结构设计原则是可穿戴健康监测领域的真正进步,”TIBI 董事兼首席执行官 Ali Khademhosseini 博士说。“它体现了我们研究人员在开发个性化传感设备方面的创造性和前瞻性思维。”


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