哈工大開發(fā)出皮膚界面?zhèn)鞲衅髦圃旒夹g(shù)

多年來，人們一直探索可集成在人體皮膚上的穿戴式電子設備。對于這類電子設備，此前很難做到在皮膚表面進行低溫處理且易于去除。現(xiàn)在，這一難題被賓夕法尼亞州立大學和哈爾濱工業(yè)大學（下稱 “哈工大”）聯(lián)合攻克，該研究小組開發(fā)出一種簡單普遍適用的皮膚界面傳感器制造技術(shù)。相關論文發(fā)表在《美國化學學會應用材料與界面》雜志上。

圖 | 使用中的手背可穿戴傳感器

論文作者、賓夕法尼亞州立大學材料研究所工程科學和力學助理教授程寰宇告訴 DeepTech，本次研究的主要創(chuàng)新是演示了一種新型燒結(jié)助劑層。

論文的第一作者張玲目前是賓夕法尼亞州立大學的訪問學生。在此之前，她曾研究出一種具有傳播電信號功能的特殊紙張。聯(lián)合研究組對這種特殊紙張 “夾層” 中的膠體成分（一種納米顆粒）進行反復對比研究，最終選定碳酸鈣和銀納米顆粒為主要成分 —— 它們可以在室溫下完成燒結(jié)，制成粘貼在皮膚上的傳感器。

新型傳感器可捕捉新冠肺炎患者體征信號

程寰宇表示，該傳感器可間接測量新冠患者病情發(fā)展程度。以疫情較為嚴重的美國為例，很多新冠病人出現(xiàn)癥狀以后，多數(shù)首選在家隔離，有時病情已經(jīng)加重，病人和家屬可能都還沒意識到。如果未能及時捕捉到病重信號，有可能出現(xiàn)生命危險。

基于此，該團隊通過直接在皮膚上室溫燒結(jié)柔性傳感器，使該傳感器可以顯示體征參數(shù)變化，包括溫度、血氧飽和度、心率、呼吸頻率、收縮壓和意識水平等。

比如，當一個病人從發(fā)低燒到發(fā)高燒，傳感器上會顯示 0 分、1 分、2 分的變化，分數(shù)越高，癥狀越嚴重。再就是呼吸變化，心率過快或過慢都可能是新冠癥狀加重的表現(xiàn)。

除檢測新冠肺炎病情之外，本次共制備出幾種傳感器，首先是溫度傳感器，可感知感染帶來的溫度升高，該團隊使用熱敏電阻的方式來感知溫度 —— 其原理是，把熱敏電阻或普通金屬加熱后，電阻就會改變。

圖 | 傳感器可測量各種信號

金屬在正常情況下都具有線型的、正向變化的電阻。電阻會隨著溫度升高而升高，因此只要測出電阻大小，并找出特定條件下電阻和溫度的關系，就能直接得到溫度。

這種傳感器還可以做空氣濕度測量，屬于電容測量方式。我們中學里都學過平行板電容器，由兩塊相互平行的金屬導體極板構(gòu)成，中間被電介質(zhì)材料隔開，只不過在這種傳感器中，平行板替換成了手指，指和指之間產(chǎn)生了類似平行板電容器的效果，濕度值主要通過電容結(jié)點常數(shù)來改變。當貼在皮膚上，皮膚含水量會發(fā)生改變。含水量變化了，等效介電常數(shù)會跟著改變，電容也會隨之改變。只要獲悉對應電容或者阻抗，就能反推對應的濕度值。

以心電圖為例，其原理主要是采集肌肉電波等生理電信號，在身上貼上水凝膠電極，就能采集到生物皮膚上電信號的改變。這是因為肌肉、心肌和骨骼肌在運動時，細胞薄膜的離子通道會發(fā)生改變。人體內(nèi)的鈉離子和鉀離子通過通道后，會從細胞膜內(nèi)跑到膜外，采集設備的電量會因此發(fā)生改變。

圖 | 心電圖（來源：維基百科）

但是，水凝膠的問題在于不久后就會由濕變干，或者會在皮膚上彎曲?；诖?，該團隊把銀電極通過燒結(jié)助劑層直接在室溫下燒結(jié)在皮膚上，解決了水凝膠長時間使用的難題。

另一個需要考慮的是皮膚貼合質(zhì)量，如果電極沒在皮膚上貼好，就會產(chǎn)生很大的接觸阻抗，而這會影響測量結(jié)果，接觸不好就會產(chǎn)生大量噪音，也會更容易受運動影響。

當傳感器電極測量生物電信號時，需要降低接觸阻抗。該研究小組研制的傳感器和手背的貼合度比較好，再加上膠水黏性會更好，相比商業(yè)凝膠來說，阻抗也更小。據(jù)程寰宇介紹，這種貼合質(zhì)量已經(jīng)超越其他相關論文研究、以及市面上的商業(yè)凝膠效果。

概括來說，該傳感器在測量電壓、電容、電阻三方面，均已經(jīng)比較成熟，未來有望進行大規(guī)模使用。

該團隊還將和其他團隊一起，把傳感器貼在魚和哺乳動物身上，結(jié)合傳感器和無線傳輸模塊，以跟蹤動物行為。比如，在大壩建完后，要檢測魚群遷徙特征是否發(fā)生變化，可以給魚貼合傳感器后，把它繼續(xù)放進海洋等大自然環(huán)境，然后跟蹤它們。

另一方面，從 SARS 到新冠，都跟野生動物攜帶病毒并傳到人身上有關。故此，該團隊未來也會考慮通過傳感器來了解動物。

更廣的應用圖景

本次研究的傳感器的不同之處在于，它是柔性的、并且貼在手上后可以進行清洗。這樣還可降低電子垃圾。如果可以大規(guī)模生產(chǎn)，也會比較環(huán)保 —— 它們用的是生活中的常用材料，很多膠水、面膜都會用到它。

45℃以上的水溫，就可以把它洗掉。但是和體溫相當?shù)乃?，則無法把它洗掉，這樣能保證傳感器牢固帖在手上。該團隊在不同條件下做過嘗試，如果貼在皮膚上一直不清洗，最長幾周仍可固定在手背上。

該團隊還做過信號分析系統(tǒng)和柔性處理器，可以跟電腦和手機聯(lián)合應用，后者可以采集和分析對應信號，藍牙、無線傳輸?shù)饶K都可以全部集成在應用上。這樣采集到的信號，可通過穿在身上的衣服，以無線的方式傳輸?shù)绞謾C上，實時監(jiān)測新冠、心肌梗塞、老人摔倒等情況。

該產(chǎn)品的優(yōu)勢是可以直接集成在皮膚或軟材料上，它能更好地提升對應信號，也可以采到原先只有在醫(yī)用環(huán)境中才能采到的信號。有了貼合度較好的傳感器后，其高質(zhì)量的信號可讓我們在運動過程也能接受測試，并能實時知道心臟情況。

該團隊的傳感器還在考慮更好的美學效果。貼紙傳感器當前的顏色，主要是金屬色。用銀和不同金屬材料進行混合，就會有不一樣的顏色。雖然顏色沒有調(diào)色板那樣多，但通過和其他材料混合，可以生成不同的顏色甚至透明色。就像小時候玩的貼圖一樣，有的是海盜，有的是蝴蝶，將來可以把貼圖做成不同圖案，里面集成著各種電子傳感器，外面具有一定的美學特征。這樣即使露出來也很美觀，用戶會有意愿去穿戴。

首次被亞馬遜 Pick 的學術(shù)成果

該團隊從最初做可穿戴的氣體傳感器，轉(zhuǎn)向如今在皮膚上直接燒結(jié)傳感器。2020 年初，該團隊的論文發(fā)表并經(jīng)媒體報道后，已有一些意向公司來聯(lián)系他們。目前他們正在和亞馬遜溝通可能的商業(yè)化，據(jù)程寰宇介紹，這也是亞馬遜實驗室首次 Pick 學術(shù)成果，并有意向做成產(chǎn)品。

不過程寰宇認為，從小公司身上他們學到的更多：小企業(yè)更多是把技術(shù)從實驗室進行優(yōu)化，然后做出產(chǎn)品；或者用傳感器本身的技術(shù)，來驗證他們的產(chǎn)品。

目前該團隊剛開始和企業(yè)交流，雙方希望通過多方資源協(xié)調(diào)和優(yōu)勢互補，來推出有意思的產(chǎn)品。亞馬遜方面認為，未來最有可能先推出的是可穿戴的氣體傳感器，但各種柔性可穿戴傳感器同樣很有前景。

原文標題：“貼紙”型可穿戴傳感器誕生，中美科學家聯(lián)合研發(fā)，可遠程監(jiān)控健康風險

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責任編輯：haq