模仿日本剪纸艺术，科学家研发出更透气的可穿戴传感器

发表于 3年以前 | 总阅读数：825 次

编译**| 张昀**

编辑**| 高歌**

今日，此研究成果于物理领域知名期刊《应用物理评论》上发表，题目为《无线、最小化、可拉伸和透气的心电图传感器系统（Wireless, minimized, stretchable, and breathable electrocardiogram sensor system）》，论文对器件设计和架构、透气和可拉伸的传感器材料、心电图测量法均作了介绍。

根据论文，日本研究员使用银电极印制的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄片（PET）作为传感器材料，置于人的胸口上以监控其心率。

论文链接：https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0082863

一、传感器的棘手问题：与皮肤贴合性低

可穿戴设备被应用在监测身体健康上时，它能够随时收集各种类型的医疗数据。用于医疗健康的可穿戴设备可以提前识别或者预测疾病，正越来越多地保护人体健康。其中，心电图的监测至关重要。

根据论文，心脏的跳动会引起皮肤间微弱的电变化，如果在心脏周围的皮肤上放置两个电极，就可以捕捉到由心跳引起的电位变化。通过分析这些电信号，用于心电图监测的可穿戴设备可以根据信号峰值的时间间隔计算出心率（HR），从而诊断出特定的心脏状况，如心律失常等。

日常生活中，能监测心电图的可穿戴设备若能连续、实时、方便且舒适地监测心电图信号，它将是医疗保健领域的一大突破。过去，大多数设备通过使传感器变薄或者开发电极位置易变的器件，以追求传感器和皮肤间更高的贴合性。

但是在传感器的实际应用中，若人们想长时间佩戴设备并且不会受出汗影响，研究人员就必须同时考虑设备的尺寸及其透气性。

过去的传感器仅减小尺寸，虽然其佩戴性和舒适性有所增强，但在其导电凝胶和皮肤之间会形成高阻抗，导致信噪比（S/N）水平降低。这样的话，出现运动伪影（运动造成的图像模糊）的可能性会增加。

二、反复使用1000次，传感器薄膜仍保持粘附性

根据论文，由于PET能变形和弯曲，其薄膜可以拉伸，因此薄膜可以像绷带一样跟随皮肤和身体运动。在制造过程中用15W的CO2气体激光器切割层压的多层薄膜，可形成“kirigami”（剪纸）结构。任何工具都可切割“kirigami”结构。而且“kirigami”结构在PET薄膜上有物理孔，皮肤可以很容易地通过这些孔呼吸。

“kirigami”结构的粘附性可以使传感器对皮肤的贴合更加完美。日本研究团队在猪皮上进行测试，将薄膜贴上和取下1000多次后，薄膜仍能保持粘附性，表明这种传感器结构可以反复使用。

为了研究透气性，该团队分别研究了复合医用胶带、双面胶带和PET薄膜的蒸气透过率（WVT）。结果证明，具有“kirigami”结构的薄膜表现出了卓越的水蒸气渗透性。这表明具有“kirigami”结构的传感器具有良好的透气性，可以用于长期的心电图监测。

▲“kirigami”结构

日本研究团队开发的心电图测量系统，由银电极印刷的PET薄膜、导电凝胶、带电池的无线电路系统组成。银电极在拉伸情况下也足够稳定。日本研究团队做了300个拉伸周期，电阻的变化范围在-10%~10%，该变化对此研究来说是足够稳定的。

同时，日本研究团队进行了装置演示，他们将最终的传感器通过连接器和带电池的电路系统相连。电路板可以实时记录心电图数据，这些结果可以通过蓝牙传输到智能手机的App上。

为了在不降低信号质量的情况下尽量减少传感器的尺寸，日本研究团队需要对心电图电极的尺寸和距离进行优化。该团队发现传感器的最佳尺寸约为200mm2，此时电极之间的距离为1.5cm。在这个尺寸下，他们能够检测到足够的来自心脏的信号，以便在智能手机应用程序中使用。

三、下一步计划：集成更多传感器，建可穿戴医疗设备平台

不论是人们坐在椅子上、走路或工作等多种日常活动，日本研究团队带传感器的设备都可以准确地传递心脏数据。

来自大阪的作者Kuniharu Takei称，本次研究的主要挑战是在不使用银电极和“kirigami”切割之间的精确对准过程的情况下实现“kirigami”结构。“kirigami”结构透气性强、粘附性强，非常适合用于心电图监测便携式设备。优化实现“kirigami”结构的方式将是该团队的主要挑战。

此外，保持可穿戴医疗设备的稳定性也是一个挑战。该团队的研究人员说道：“他们知道新机制或新材料的开发对可穿戴医疗设备领域产生了更好的影响。但是，如果不提高稳定性，即使传感器性能出色，也无法用于实际应用。”

该小组接下来的目标是集成更多传感器来收集来自皮肤表面的多种类型的数据，以帮助早期诊断疾病，包括未来的医学试验。

日本研究人员相信，这是个令人兴奋的研究领域，他们希望在后续研究中通过传感器集成和数据分析关联多个数据集，并结合其他传感器技术，建立一个可穿戴的医疗设备平台。

结语：研究或有助于建立贴合人体医疗平台

近年来，用于健康监测的智能可穿戴设备因其便携性风头正盛。攻下心率、血压、呼吸频率、温度、血氧等健康指标是与医疗结合的可穿戴设备的发展方向。

日本研究团队开发了更贴身的可穿戴设备，其透气性、与皮肤间的贴合性更佳。若能集成更多传感器，智能穿戴设备将能收集皮肤表面更多数据，或有助于建立可穿戴的医疗设备平台。