新型健康神器!中美科学家联合研发,可跟踪新冠病情及多种疾病

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新型健康神器!中美科学家联合研发,可跟踪新冠病情及多种疾病
麻省理工科技评论 2020-10-26

2020-10-26

该研究小组开发出一种简单普遍适用的皮肤界面传感器制造技术。相关论文发表在《美国化学学会应用材料与界面》杂志上。
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该研究小组开发出一种简单普遍适用的皮肤界面传感器制造技术。相关论文发表在《美国化学学会应用材料与界面》杂志上。

多年来,人们一直探索可集成在人体皮肤上的穿戴式电子设备。对于这类电子设备,此前很难做到在皮肤表面进行低温处理且易于去除。现在,这一难题被宾夕法尼亚州立大学和哈尔滨工业大学(下称 “哈工大”)联合攻克,该研究小组开发出一种简单普遍适用的皮肤界面传感器制造技术。相关论文发表在《美国化学学会应用材料与界面》杂志上。

图 | 手背可穿戴传感器

图 | 使用中的手背可穿戴传感器

论文作者、宾夕法尼亚州立大学材料研究所工程科学和力学助理教授程寰宇告诉 DeepTech,本次研究的主要创新是演示了一种新型烧结助剂层。

图 | 程寰宇(来源:受访者)

论文的第一作者张玲目前是宾夕法尼亚州立大学的访问学生。在此之前,她曾研究出一种具有传播电信号功能的特殊纸张。联合研究组对这种特殊纸张 “夹层” 中的胶体成分(一种纳米颗粒)进行反复对比研究,最终选定碳酸钙和银纳米颗粒为主要成分 —— 它们可以在室温下完成烧结,制成粘贴在皮肤上的传感器。

图 | 基于纸 / 织物的 FPCB 的性能演示

图 | 传感器效果图

新型传感器可捕捉新冠肺炎患者体征信号

程寰宇表示,该传感器可间接测量新冠患者病情发展程度。以疫情较为严重的美国为例,很多新冠病人出现症状以后,多数首选在家隔离,有时病情已经加重,病人和家属可能都还没意识到。如果未能及时捕捉到病重信号,有可能出现生命危险。

基于此,该团队通过直接在皮肤上室温烧结柔性传感器,使该传感器可以显示体征参数变化,包括温度、血氧饱和度、心率、呼吸频率、收缩压和意识水平等。

比如,当一个病人从发低烧到发高烧,传感器上会显示 0 分、1 分、2 分的变化,分数越高,症状越严重。再就是呼吸变化,心率过快或过慢都可能是新冠症状加重的表现。

除检测新冠肺炎病情之外,本次共制备出几种传感器,首先是温度传感器,可感知感染带来的温度升高,该团队使用热敏电阻的方式来感知温度 —— 其原理是,把热敏电阻或普通金属加热后,电阻就会改变。

图 | 传感器可测量各种信号

金属在正常情况下都具有线型的、正向变化的电阻。电阻会随着温度升高而升高,因此只要测出电阻大小,并找出特定条件下电阻和温度的关系,就能直接得到温度。

这种传感器还可以做空气湿度测量,属于电容测量方式。我们中学里都学过平行板电容器,由两块相互平行的金属导体极板构成,中间被电介质材料隔开,只不过在这种传感器中,平行板替换成了手指,指和指之间产生了类似平行板电容器的效果,湿度值主要通过电容结点常数来改变。当贴在皮肤上,皮肤含水量会发生改变。含水量变化了,等效介电常数会跟着改变,电容也会随之改变。只要获悉对应电容或者阻抗,就能反推对应的湿度值。

以心电图为例,其原理主要是采集肌肉电波等生理电信号,在身上贴上水凝胶电极,就能采集到生物皮肤上电信号的改变。这是因为肌肉、心肌和骨骼肌在运动时,细胞薄膜的离子通道会发生改变。人体内的钠离子和钾离子通过通道后,会从细胞膜内跑到膜外,采集设备的电量会因此发生改变。

图 | 心电图(来源:维基百科)

但是,水凝胶的问题在于不久后就会由湿变干,或者会在皮肤上弯曲。基于此,该团队把银电极通过烧结助剂层直接在室温下烧结在皮肤上,解决了水凝胶长时间使用的难题。

另一个需要考虑的是皮肤贴合质量,如果电极没在皮肤上贴好,就会产生很大的接触阻抗,而这会影响测量结果,接触不好就会产生大量噪音,也会更容易受运动影响。

当传感器电极测量生物电信号时,需要降低接触阻抗。该研究小组研制的传感器和手背的贴合度比较好,再加上胶水黏性会更好,相比商业凝胶来说,阻抗也更小。据程寰宇介绍,这种贴合质量已经超越其他相关论文研究、以及市面上的商业凝胶效果。

概括来说,该传感器在测量电压、电容、电阻三方面,均已经比较成熟,未来有望进行大规模使用。

该团队还将和其他团队一起,把传感器贴在鱼和哺乳动物身上,结合传感器和无线传输模块,以跟踪动物行为。比如,在大坝建完后,要检测鱼群迁徙特征是否发生变化,可以给鱼贴合传感器后,把它继续放进海洋等大自然环境,然后跟踪它们。

另一方面,从 SARS 到新冠,都跟野生动物携带病毒并传到人身上有关。故此,该团队未来也会考虑通过传感器来了解动物。

更广的应用图景

本次研究的传感器的不同之处在于,它是柔性的、并且贴在手上后可以进行清洗。这样还可降低电子垃圾。如果可以大规模生产,也会比较环保 —— 它们用的是生活中的常用材料,很多胶水、面膜都会用到它。

45℃以上的水温,就可以把它洗掉。但是和体温相当的水,则无法把它洗掉,这样能保证传感器牢固贴在手上。该团队在不同条件下做过尝试,如果贴在皮肤上一直不清洗,最长几周仍可固定在手背上。

该团队还做过信号分析系统和柔性处理器,可以跟电脑和手机联合应用,后者可以采集和分析对应信号,蓝牙、无线传输等模块都可以全部集成在应用上。这样采集到的信号,可通过穿在身上的衣服,以无线的方式传输到手机上,实时监测新冠、心肌梗塞、老人摔倒等情况。

该产品的优势是可以直接集成在皮肤或软材料上,它能更好地提升对应信号,也可以采到原先只有在医用环境中才能采到的信号。有了贴合度较好的传感器后,其高质量的信号可让我们在运动过程也能接受测试,并能实时知道心脏情况。

该团队的传感器还在考虑更好的美学效果。贴纸传感器当前的颜色,主要是金属色。用银和不同金属材料进行混合,就会有不一样的颜色。虽然颜色没有调色板那样多,但通过和其他材料混合,可以生成不同的颜色甚至透明色。就像小时候玩的贴图一样,有的是海盗,有的是蝴蝶,将来可以把贴图做成不同图案,里面集成着各种电子传感器,外面具有一定的美学特征。这样即使露出来也很美观,用户会有意愿去穿戴。

首次被亚马逊 Pick 的学术成果

该团队从最初做可穿戴的气体传感器,转向如今在皮肤上直接烧结传感器。2020 年初,该团队的论文发表并经媒体报道后,已有一些意向公司来联系他们。目前他们正在和亚马逊沟通可能的商业化,据程寰宇介绍,这也是亚马逊实验室首次 Pick 学术成果,并有意向做成产品。

不过程寰宇认为,从小公司身上他们学到的更多:小企业更多是把技术从实验室进行优化,然后做出产品;或者用传感器本身的技术,来验证他们的产品。

目前该团队刚开始和企业交流,双方希望通过多方资源协调和优势互补,来推出有意思的产品。亚马逊方面认为,未来最有可能先推出的是可穿戴的气体传感器,但各种柔性可穿戴传感器同样很有前景。

此前,该小组还开发出能模仿人体运动动态过程的“电子皮肤”传感器,其可以帮助人们捕捉压力和弯曲的幅度。通过在软机器人上使用这些传感器,还可操纵精细的物体如抓鱼等。据悉,宾夕法尼亚州立大学已为上述技术申请了临时专利。

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