基于柔性传感器的智能鞋垫成为人体信息的监察员

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基于柔性传感器的智能鞋垫

柔性可穿戴电子传感器由于具有较大的机械灵活性,能够在一定程度上适应不同的工作环境,满足人体对于设备的形变要求,可应用于人类生活的许多方面。智能手表、智能手环、电子皮肤等设备的出现更是让柔性可穿戴技术受到广泛关注。有分析指出,至2028年,全球柔性电子市场有望达到3010亿美元。

柔性可穿戴技术在医学领域的应用价值更为广泛,如体温监测仪、连续血糖监测设备、心电检测设备等。其中,用于检测人体信息的人体传感器发挥着重要作用。

近期,中国科学院深圳先进技术研究院医工所微创中心研究员王磊团队成功制备出一种基于氧化锌(ZnO)纳米棒结构的新型柔性织物基底压电压力传感器。相关成果发表于《纳米研究》。

研究团队将纤锌矿晶体结构的ZnO纳米棒涂在纱线上,与PVDF膜结合作为织物基底赋予传感器压电效应。“实验证明,传感器在0~2.5kPa压力范围内的灵敏度为0.62V/kPa,开路电压高达11.47V左右,具有优越的机械稳定性和低检测限(8.71Pa)。”王磊表示。

以纤维材料作为织物基底的人体传感器,能让医学可穿戴设备更具透气性、透汗性等功能,更加贴合人体皮肤。团队制备的传感器可用于实时监测人体各类运动信息,如手腕的弯曲、放松运动,和每个手指的弯曲、拉伸运动,在监测人体健康状态方面具有潜在应用价值。

人体信息的“监察员”

作为医学柔性电子部件,人体传感器就像人体信息的“监察员”,具有检测信息的重要作用。其中包括电生理传感器、生化传感器,以及检测运动信息的人体传感器、仿生传感器、多参数传感器等。

不同类型的人体传感器通过感知血压、心率、呼吸、体温等人体内的各项功能信息,将其按一定规律转换为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求,帮助评估人体健康状态。2008年,深圳先进院组建医学微系统实验室,针对医学柔性电子前沿领域重点与难题进行研究。

以检测人体运动信息的传感器为例,其通过检测人体内的各项功能指标,帮助评估人体健康状态。“对于中风患者,通过检测人体运动信息的人体传感器可以检测出病人在康复过程中运动机能的变化,通过一系列的指标评判病人的恢复情况。”王磊说。

柔性可穿戴设备在帮助人们进行健康管理、提升生活质量的同时,也存在着个人信息泄露、安全隐患等问题。而人体传感器同样可能存在数据安全隐患,数据误差可能造成设备对人体健康状态的误判。对此,王磊团队自主设计了一套人体通信系统,用于保证人体传感器网络的安全性,提高传感器收集信息的能效。

紧跟前沿,双向转化

当前,随着柔性电子、仿生材料、AI、5G等技术的发展,医学领域的柔性电子设备,如多参数集成汗液传感器、皮肤柔性可穿戴系统、电磁脑调控及血糖检测、仿生自调节助力系统等成为研究人员关注的重点。

深圳先进院团队利用学科交叉优势,在医学柔性电子领域实行双向转化。一方面,与前沿技术相结合,突破核心技术瓶颈;另一方面寻找临床应用路径,实现研究成果转移转化。

以连续血糖监测设备为例。目前,我国糖尿病患者人数超过1.16亿,位居全球第一,每年直接和间接用于糖尿病的花费将近1000亿元,是当前社会面临的一大重要健康问题。连续血糖监测设备可以连续监测人体内的血糖水平,帮助患者调控饮食、运动和用药的规律。然而,国内对该研究领域鲜有布局。

在此前的研究中,深圳先进院医工所微创中心聂泽东、王磊团队基于人体血糖波动会引起人体自主神经变化,从而影响到心电图、脑电图等生理信号的变化,建立可穿戴生理信号与血糖波动的关联,实现一种无创的血糖波动检测,在糖尿病前期筛查、糖尿病人筛查、连续血糖监测、高低血糖预警等领域具有潜在应用价值。

下一步,研究团队将探索基于新材料的织物执行器、触觉传感器、静电驱动器等创新微器件,及相应分析方法的临床应用路径,并分析可穿戴医疗设备和手术机器人产品更新换代的核心技术瓶颈。目前,王磊团队已在手术机器人、呼吸机智能通气等医疗器械领域与相关企业开展合作。

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