受蜘蛛啟發(fā)的可調(diào)諧機(jī)械傳感器，實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)范圍的生物信號(hào)檢測

近年來，可穿戴傳感器領(lǐng)域取得了顯著的進(jìn)展，但仍存在一定的局限性，需要根據(jù)目標(biāo)信號(hào)重新制作和調(diào)整傳感器。然而，生物感覺系統(tǒng)具有根據(jù)外部環(huán)境調(diào)節(jié)其靈敏度的內(nèi)在潛力，從而實(shí)現(xiàn)廣泛且增強(qiáng)的檢測。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，韓國首爾大學(xué)醫(yī)院（Seoul National University Hospital）和亞洲大學(xué)（Ajou University）聯(lián)合開發(fā)了一種可調(diào)諧、超靈敏、受自然啟發(fā)的表皮傳感器（TUNES），其應(yīng)變靈敏度顯著提高（應(yīng)變系數(shù)~30 k），壓力靈敏度可通過預(yù)設(shè)膜張力進(jìn)行調(diào)節(jié)（10-254 kPa?1）。該傳感器通過預(yù)設(shè)張力來調(diào)節(jié)壓力靈敏度，因此它可以以最佳性能檢測寬動(dòng)態(tài)范圍（0.05 Pa-25 kPa）：從微小脈沖等非常小的信號(hào)到肌肉收縮和呼吸等相對(duì)較大的信號(hào)。研究人員通過臨床試驗(yàn)將TUNES與目前被認(rèn)為是血壓金標(biāo)準(zhǔn)的有創(chuàng)血壓傳感器（r=0.96）和通過機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)老年/青年脈搏波進(jìn)行二元分類的家庭醫(yī)療保健系統(tǒng)（準(zhǔn)確率95%）進(jìn)行比較，證明了其作為可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)的能力。

在蜘蛛中，應(yīng)變探測器由嵌入表皮并被外膜覆蓋的平行狹縫組成，并且位于腿關(guān)節(jié)附近。腿部的狹縫隨著腿部姿勢被壓縮或釋放，外力的振動(dòng)通過壓縮使狹縫閉合。狹縫中靈敏度的變化可以讓蜘蛛探測到從高到低的各種振動(dòng)，以捕捉小獵物或逃離巨大的捕食者。通過模擬狹縫器官的幾何形狀和調(diào)諧機(jī)制，研究人員通過在金屬化聚酰亞胺（PI）膜上產(chǎn)生納米級(jí)裂紋，設(shè)計(jì)了一種對(duì)施加的應(yīng)變具有非線性電阻變化的傳感器。裂紋傳感器可以通過傳感器的預(yù)應(yīng)變（預(yù)設(shè)應(yīng)變：0-1%）來調(diào)節(jié)靈敏度，如同蜘蛛腿一樣。

受蜘蛛感覺器官啟發(fā)的靈敏度調(diào)諧機(jī)制

所開發(fā)的裂紋傳感器具有調(diào)節(jié)其靈敏度以測量不同范圍的應(yīng)變或壓力的能力。與現(xiàn)有的靈敏度和測量范圍相沖突的壓力傳感器相比，裂紋傳感器在0.05 Pa-25 kPa壓力范圍內(nèi)具有10-254 kPa?1的可調(diào)諧靈敏度，增強(qiáng)了對(duì)各種壓力范圍生物信號(hào)的檢測。

裂紋傳感器的可調(diào)諧靈敏度和機(jī)械特性

進(jìn)一步，研究人員證明了增強(qiáng)的生物信號(hào)（尤其是脈搏波）通過無創(chuàng)血壓監(jiān)測和機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)可穿戴家庭保健和自我診斷系統(tǒng)的可行性。靈敏度的提高為脈搏波測量提供了高精度和高分辨率。TUNES和被稱為金標(biāo)準(zhǔn)的有創(chuàng)血壓測量之間的脈搏波的相似性為96%。TUNES可以測量不同脈搏點(diǎn)的脈搏波，即使在步行和騎自行車等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下也可以測量顳動(dòng)脈。此外，測量和藍(lán)牙傳輸系統(tǒng)可以由簡單的嵌入式電路組成，而不需要大型復(fù)雜的設(shè)備。

用于非侵入式生物醫(yī)學(xué)傳感的TUNES

總之，受蜘蛛狹縫器官的啟發(fā)，研究人員開發(fā)了一種超靈敏的可調(diào)諧機(jī)械傳感器，可以通過調(diào)整預(yù)設(shè)應(yīng)變來調(diào)節(jié)其靈敏度。這種可調(diào)諧性源于所使用的納米裂紋傳感器的非線性特性。因此，單個(gè)傳感器可以測量呼吸、肌肉收縮/松弛、手腕脈搏等多種生物信號(hào)，并在臨床試驗(yàn)中與商業(yè)醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行比較，展示了生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的潛力。未來的工作重點(diǎn)是開發(fā)一種集成系統(tǒng)，將無線通信與電機(jī)控制系統(tǒng)相結(jié)合，以最佳靈敏度自動(dòng)控制傳感器的預(yù)設(shè)應(yīng)變，并基于固有可拉伸材料或剪紙藝術(shù)kirigami設(shè)計(jì)來提高傳感器的結(jié)構(gòu)靈活性，從而在不損壞的情況下檢測更大范圍的壓力。

論文信息：
https://www.nature.com/articles/s41528-023-00247-2

審核編輯 ：李倩