中國(guó)科學(xué)院基于氧化鋅研發(fā)柔性壓電壓力傳感器

基于柔性傳感器的智能鞋墊

柔性可穿戴電子傳感器由于具有較大的機(jī)械靈活性，能夠在一定程度上適應(yīng)不同的工作環(huán)境，滿足人體對(duì)于設(shè)備的形變要求，可應(yīng)用于人類生活的許多方面。智能手表、智能手環(huán)、電子皮膚等設(shè)備的出現(xiàn)更是讓柔性可穿戴技術(shù)受到廣泛關(guān)注。有分析指出，至2028年，全球柔性電子市場(chǎng)有望達(dá)到3010億美元。

柔性可穿戴技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值更為廣泛，如體溫監(jiān)測(cè)儀、連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)設(shè)備、心電檢測(cè)設(shè)備等。其中，用于檢測(cè)人體信息的人體傳感器發(fā)揮著重要作用。

近期，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)工所微創(chuàng)中心研究員王磊團(tuán)隊(duì)成功制備出一種基于氧化鋅(ZnO)納米棒結(jié)構(gòu)的新型柔性織物基底壓電壓力傳感器。相關(guān)成果發(fā)表于《納米研究》。

研究團(tuán)隊(duì)將纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的ZnO納米棒涂在紗線上，與PVDF膜結(jié)合作為織物基底賦予傳感器壓電效應(yīng)?！皩?shí)驗(yàn)證明，傳感器在0~2.5kPa壓力范圍內(nèi)的靈敏度為0.62V/kPa，開路電壓高達(dá)11.47V左右，具有優(yōu)越的機(jī)械穩(wěn)定性和低檢測(cè)限(8.71Pa)?！蓖趵诒硎?。

以纖維材料作為織物基底的人體傳感器，能讓醫(yī)學(xué)可穿戴設(shè)備更具透氣性、透汗性等功能，更加貼合人體皮膚。團(tuán)隊(duì)制備的傳感器可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體各類運(yùn)動(dòng)信息，如手腕的彎曲、放松運(yùn)動(dòng)，和每個(gè)手指的彎曲、拉伸運(yùn)動(dòng)，在監(jiān)測(cè)人體健康狀態(tài)方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

人體信息的“監(jiān)察員”

作為醫(yī)學(xué)柔性電子部件，人體傳感器就像人體信息的“監(jiān)察員”，具有檢測(cè)信息的重要作用。其中包括電生理傳感器、生化傳感器，以及檢測(cè)運(yùn)動(dòng)信息的人體傳感器、仿生傳感器、多參數(shù)傳感器等。

不同類型的人體傳感器通過感知血壓、心率、呼吸、體溫等人體內(nèi)的各項(xiàng)功能信息，將其按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求，幫助評(píng)估人體健康狀態(tài)。2008年，深圳先進(jìn)院組建醫(yī)學(xué)微系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，針對(duì)醫(yī)學(xué)柔性電子前沿領(lǐng)域重點(diǎn)與難題進(jìn)行研究。

以檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)信息的傳感器為例，其通過檢測(cè)人體內(nèi)的各項(xiàng)功能指標(biāo)，幫助評(píng)估人體健康狀態(tài)?！皩?duì)于中風(fēng)患者，通過檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)信息的人體傳感器可以檢測(cè)出病人在康復(fù)過程中運(yùn)動(dòng)機(jī)能的變化，通過一系列的指標(biāo)評(píng)判病人的恢復(fù)情況?！蓖趵谡f。

柔性可穿戴設(shè)備在幫助人們進(jìn)行健康管理、提升生活質(zhì)量的同時(shí)，也存在著個(gè)人信息泄露、安全隱患等問題。而人體傳感器同樣可能存在數(shù)據(jù)安全隱患，數(shù)據(jù)誤差可能造成設(shè)備對(duì)人體健康狀態(tài)的誤判。對(duì)此，王磊團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)了一套人體通信系統(tǒng)，用于保證人體傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性，提高傳感器收集信息的能效。

緊跟前沿，雙向轉(zhuǎn)化

當(dāng)前，隨著柔性電子、仿生材料、AI、5G等技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的柔性電子設(shè)備，如多參數(shù)集成汗液傳感器、皮膚柔性可穿戴系統(tǒng)、電磁腦調(diào)控及血糖檢測(cè)、仿生自調(diào)節(jié)助力系統(tǒng)等成為研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。

深圳先進(jìn)院團(tuán)隊(duì)利用學(xué)科交叉優(yōu)勢(shì)，在醫(yī)學(xué)柔性電子領(lǐng)域?qū)嵭须p向轉(zhuǎn)化。一方面，與前沿技術(shù)相結(jié)合，突破核心技術(shù)瓶頸;另一方面尋找臨床應(yīng)用路徑，實(shí)現(xiàn)研究成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化。

以連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)設(shè)備為例。目前，我國(guó)糖尿病患者人數(shù)超過1.16億，位居全球第一，每年直接和間接用于糖尿病的花費(fèi)將近1000億元，是當(dāng)前社會(huì)面臨的一大重要健康問題。連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)設(shè)備可以連續(xù)監(jiān)測(cè)人體內(nèi)的血糖水平，幫助患者調(diào)控飲食、運(yùn)動(dòng)和用藥的規(guī)律。然而，國(guó)內(nèi)對(duì)該研究領(lǐng)域鮮有布局。

在此前的研究中，深圳先進(jìn)院醫(yī)工所微創(chuàng)中心聶澤東、王磊團(tuán)隊(duì)基于人體血糖波動(dòng)會(huì)引起人體自主神經(jīng)變化，從而影響到心電圖、腦電圖等生理信號(hào)的變化，建立可穿戴生理信號(hào)與血糖波動(dòng)的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)一種無創(chuàng)的血糖波動(dòng)檢測(cè)，在糖尿病前期篩查、糖尿病人篩查、連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)、高低血糖預(yù)警等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

下一步，研究團(tuán)隊(duì)將探索基于新材料的織物執(zhí)行器、觸覺傳感器、靜電驅(qū)動(dòng)器等創(chuàng)新微器件，及相應(yīng)分析方法的臨床應(yīng)用路徑，并分析可穿戴醫(yī)療設(shè)備和手術(shù)機(jī)器人產(chǎn)品更新?lián)Q代的核心技術(shù)瓶頸。目前，王磊團(tuán)隊(duì)已在手術(shù)機(jī)器人、呼吸機(jī)智能通氣等醫(yī)療器械領(lǐng)域與相關(guān)企業(yè)開展合作。