面向穿戴式和植入式應(yīng)用的軟體機械傳感器綜述

生物力學(xué)信號（例如壓力、應(yīng)變、剪切和振動等）的穿戴式和植入式傳感可以實現(xiàn)多種人體集成應(yīng)用，包括皮膚上的生命體征監(jiān)測、運動跟蹤、體內(nèi)器官狀況監(jiān)測以及缺失/受損機械感知功能的恢復(fù)等方面。這些傳感器與人體皮膚和組織的機械適配性對于提高其生物相容性和傳感精度至關(guān)重要。因此，近十年來，軟體機械傳感器的研發(fā)取得了重大進展。為了滿足不同穿戴式和植入式應(yīng)用的要求，軟體機械傳感器被賦予了各種額外特性，以使其更適合人體集成應(yīng)用的各種環(huán)境。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，美國芝加哥大學(xué)（The University of Chicago）的科研團隊重點探討了四種主要類型的軟體機械傳感器：壓力、應(yīng)變、剪切和振動（如圖1所示）。該研究首先討論了近期在材料和器件設(shè)計上的創(chuàng)新，以實現(xiàn)柔性與可拉伸性、生物可吸收性與生物可降解性、自修復(fù)性、透氣性、透明度、無線通信能力以及高密度集成等重要性能。隨后，總結(jié)了這類新型軟體機械傳感器在穿戴式和植入式應(yīng)用中的研究現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上進一步提出了未來的研究需求。這篇綜述以“Soft mechanical sensors for wearable and implantable applications”為主題發(fā)表在WIREs Nanomedicine and Nanobiotechnology期刊上，通訊作者為Sihong Wang。

圖1 各種類型的機械傳感器和功能（左）以及與人體集成的應(yīng)用（右）

軟體機械傳感器的主要類型

軟體機械傳感器主要有“壓力、應(yīng)變、剪切和振動”四大類型，不同類型的軟體機械傳感器的一般設(shè)計因素和策略各不相同（如圖2所示）。

圖2 四大類軟體機械傳感器的基本工作原理、設(shè)計特點以及其中微觀結(jié)構(gòu)示例

軟體壓力傳感器：一般來說，軟體壓力傳感器被設(shè)計成將沿法向軸的變形轉(zhuǎn)換為電信號（讀出信號）。在軟體壓力傳感器中，通過使用低模量有機硅或中空/多孔結(jié)構(gòu)，這種幾何變化被進一步增強。

軟體應(yīng)變傳感器：應(yīng)變傳感器將拉伸變形轉(zhuǎn)換成電信號。它們主要用于運動跟蹤、記錄生命體征（如脈搏）和監(jiān)測器官/組織的運作。應(yīng)變傳感器通過電參數(shù)的變化來響應(yīng)面內(nèi)變形。針對特定應(yīng)用，應(yīng)變傳感器需要具有足夠的拉伸性才能滿足應(yīng)變范圍的檢測要求。

軟體剪切傳感器：剪切傳感器測量與表面相切的力。在人體應(yīng)用中，它們通常被用于檢測皮膚上的摩擦力。

軟體振動傳感器：振動傳感器將高頻且通常為低振幅的機械變形轉(zhuǎn)換為電信號。生物電子學(xué)中常見的振動傳感包括人聲和觸覺傳感應(yīng)用中的紋理傳感。

賦予人體相容性特性

“在獲得優(yōu)異的傳感性能的同時，實現(xiàn)人機界面應(yīng)用所需的特性”是軟體機械傳感器開發(fā)的基本目標(biāo)。

從柔性到可拉伸性：賦予傳感器柔性和可拉伸性對于實現(xiàn)與動態(tài)曲線皮膚/組織表面的高度貼合、適應(yīng)皮膚/組織變形，并最大限度地減少不適和組織損傷至關(guān)重要。相較于傳統(tǒng)的剛性傳感器，通過使用塑料或彈性體作為襯底、使用薄膜作為功能層（如電極）等方式，可相對容易地實現(xiàn)柔性（即可彎曲性）。

圖3 實現(xiàn)柔性和可拉伸性的策略

生物可吸收性和生物可降解性：用于短期生理狀態(tài)和術(shù)后監(jiān)測的植入式傳感是軟體機械傳感器的關(guān)鍵應(yīng)用之一。因此，傳感器在生理條件下降解成無毒物質(zhì)的能力（即生物可吸收性），是一項非常重要的功能。

圖4 生物可吸收和生物可降解的機械傳感器示例

自愈性：賦予傳感器自愈特性可以提升其抵御意外物理損壞的能力，并延長器件功能的持續(xù)時間。自愈性主要是通過使用能夠進行可逆動態(tài)鍵合（如氫鍵合）的材料來實現(xiàn)的。

透氣性：確保器件透氣性對于最大限度減少佩戴穿戴式傳感器引起的不適和皮膚刺激至關(guān)重要。具體而言，透氣性是指傳感器對空氣和水蒸氣的滲透性，以便汗液自由蒸發(fā)。傳感器的透氣性主要通過使用具有多孔形態(tài)（如纖維或海綿狀結(jié)構(gòu)）的傳感器組件來實現(xiàn)。

圖5 具備自愈性和透氣性的傳感器示例

透明度：某些特殊應(yīng)用需要透明傳感器，例如具有眼壓傳感功能的智能隱形眼鏡或用于測量運動或機械生理信號（如心率或呼吸速率）的隱形穿戴式傳感器。機械傳感器的有源層和襯底層的透明度是通過使用本質(zhì)透明的材料以及高度多孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。

無線通信：機械傳感器的無線通信能力對于從穿戴式和植入式機械傳感器中更便捷且連續(xù)地收集數(shù)據(jù)至關(guān)重要。已報道的無線通信方法包括藍牙（Bluetooth）、近場通信（NFC）和射頻識別（RFID）。

微型化和高密度集成：除了感知機械激勵的大小外，機械傳感器還需具備對其進行空間分辨映射的能力，這對許多應(yīng)用（例如穿戴式觸摸面板、假肢等）至關(guān)重要。這種特性在電子皮膚（e-skins）的壓力傳感環(huán)境中尤為重要，考慮到人體皮膚的高空間分辨率，傳感器像素尺寸可能需要控制在1 mm -2 mm。

圖6 透明、無線通信和高密度陣列集成的傳感器示例

穿戴式和植入式應(yīng)用

穿戴式應(yīng)用：軟體機械傳感器的穿戴式應(yīng)用范圍廣泛，涵蓋假肢皮膚到植入式器件。軟體機械傳感器的高適配性使其能夠與軟生物組織密切接觸，并最大限度減少傳感器偽影。總體而言，已展示的穿戴式生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用主要包括以下幾類：用于觸覺恢復(fù)的機械感知、用于連續(xù)健康監(jiān)測的生理信號傳感、用于跟蹤肌肉骨骼功能的運動檢測以及用于穿戴式麥克風(fēng)的聲學(xué)傳感。

圖7 穿戴式應(yīng)用示例

植入式應(yīng)用：植入式機械傳感器有望為組織/器官監(jiān)測、術(shù)后監(jiān)測和缺失的組織/器官功能恢復(fù)提供寶貴的信息。由于這些傳感器需要與人體內(nèi)部器官密切接觸，生物相容性是一個關(guān)鍵因素。此外，為實現(xiàn)完全植入的傳感功能和在傳感器壽命結(jié)束時無需手術(shù)移除的需求，如無線通信能力和生物可吸收特性等額外功能也是必要的。迄今為止，在植入式組織/器官監(jiān)測、術(shù)后監(jiān)測、缺失的組織/器官功能恢復(fù)三大主要應(yīng)用方向上，軟體機械傳感器取得了顯著進展。

圖8 植入式應(yīng)用示例

在這篇綜述中，研究人員主要討論了面向穿戴式和植入式應(yīng)用的軟體機械傳感器的主要類型，以及一些實現(xiàn)這些不同應(yīng)用的特定功能的常見策略?？偠灾涹w機械傳感器代表了一類新興的生物電子器件，具備實現(xiàn)高精度、高舒適性的機械生物數(shù)據(jù)連續(xù)監(jiān)測的潛力，從而在電子皮膚、生理和術(shù)后監(jiān)測、運動跟蹤以及器官功能恢復(fù)等領(lǐng)域展現(xiàn)出令人期待的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/wnan.1961

審核編輯：劉清