受蜘蛛啟發(fā)的可調諧機械傳感器，實現寬動態(tài)范圍的生物信號檢測

近年來，可穿戴傳感器領域取得了顯著的進展，但仍存在一定的局限性，需要根據目標信號重新制作和調整傳感器。然而，生物感覺系統(tǒng)具有根據外部環(huán)境調節(jié)其靈敏度的內在潛力，從而實現廣泛且增強的檢測。

據麥姆斯咨詢報道，近日，韓國首爾大學醫(yī)院（Seoul National University Hospital）和亞洲大學（Ajou University）聯合開發(fā)了一種可調諧、超靈敏、受自然啟發(fā)的表皮傳感器（TUNES），其應變靈敏度顯著提高（應變系數~30 k），壓力靈敏度可通過預設膜張力進行調節(jié)（10-254 kPa?1）。該傳感器通過預設張力來調節(jié)壓力靈敏度，因此它可以以最佳性能檢測寬動態(tài)范圍（0.05 Pa-25 kPa）：從微小脈沖等非常小的信號到肌肉收縮和呼吸等相對較大的信號。研究人員通過臨床試驗將TUNES與目前被認為是血壓金標準的有創(chuàng)血壓傳感器（r=0.96）和通過機器學習對老年/青年脈搏波進行二元分類的家庭醫(yī)療保健系統(tǒng)（準確率95%）進行比較，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，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諧機制，研究人員通過在金屬化聚酰亞胺（PI）膜上產生納米級裂紋，設計了一種對施加的應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應變（預設應變：0-1%）來調節(jié)靈敏度，如同蜘蛛腿一樣。

受蜘蛛感覺器官啟發(fā)的靈敏度調諧機制

所開發(fā)的裂紋傳感器具有調節(jié)其靈敏度以測量不同范圍的應變或壓力的能力。與現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壓力范圍內具有10-254 kPa?1的可調諧靈敏度，增強了對各種壓力范圍生物信號的檢測。

裂紋傳感器的可調諧靈敏度和機械特性

進一步，研究人員證明了增強的生物信號（尤其是脈搏波）通過無創(chuàng)血壓監(jiān)測和機器學習實現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和被稱為金標準的有創(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的脈搏波，即使在步行和騎自行車等運動狀態(tài)下也可以測量顳動脈。此外，測量和藍牙傳輸系統(tǒng)可以由簡單的嵌入式電路組成，而不需要大型復雜的設備。

用于非侵入式生物醫(yī)學傳感的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諧機械傳感器，可以通過調整預設應變來調節(jié)其靈敏度。這種可調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，并在臨床試驗中與商業(yè)醫(yī)療設備進行比較，展示了生物醫(yī)學應用的潛力。未來的工作重點是開發(fā)一種集成系統(tǒng)，將無線通信與電機控制系統(tǒng)相結合，以最佳靈敏度自動控制傳感器的預設應變，并基于固有可拉伸材料或剪紙藝術kirigami設計來提高傳感器的結構靈活性，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