宾州州立大学新研究推动可穿戴医疗传感器发展：自供电、无线、防潮
2022-03-06 09:32:51 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
宾州州立大学正致力于通过制造新型可穿戴传感器来改善健康监测，这些传感器可以为临床医生收集数据，同时减轻患者的不适感。
自供电传感器是实现更准确、持续健康监测的关键。
图1 Huanyu “Larry” Cheng及其研发的新型可穿戴医疗传感器
据麦姆斯咨询报道，传统生命体征监测和疾病诊断设备往往笨重、不便，并可能为患者带来痛苦。但像美国宾夕法尼亚州立大学（中文简称：宾州州立大学，英文简称Penn State）工程科学和力学系的Dorothy Quiggle职业发展助理教授Huanyu “Larry” Cheng这样的研究人员，正致力于通过制造新型可穿戴传感器来改善健康监测，这些传感器可以为临床医生收集数据，同时减轻患者的不适感。
自2015年加入宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系以来，Cheng设计了新颖的组件和方法来开发诸如可穿戴头部扫描仪、无针葡萄糖监测仪、可穿戴天线和可打印电子器件等。这些由柔性电子器件制成的装置能够监测患者的身体运动和汗液、皮肤等部位的化学信号，以帮助医生诊断或制定治疗计划。
现在，Cheng正致力使可穿戴传感器具有可持续性、弹性和自充电能力。Cheng表示，来自不同学科的行业合作伙伴们认识到可穿戴电子器件的创新需求，他们愿意投资。2021年12月，Facebook技术开发部门Meta Reality Labs将150,000美元的无限制资金授予Cheng，用于推进可生物降解、可拉伸的发电系统研究。
Cheng说：“我们非常需要环保的、可自我充电的传感器，这些传感器可以监测患者的生命体征，同时又不会给他们带来身体或经济压力——而且我们发现这些解决方案可以应用于广泛的挑战。我的研究项目专注于理解各种材料的相互作用和局限性，目的是制造新的方法和传感器来解决这些问题。”
自供电、可充电的可穿戴传感器
开发柔性轻便、经济实用的传感器是一回事；为它们提供动力是另一回事。Cheng表示，尽管用于可拉伸能量收集器的自充电电源装置已经存在，但它们的制造成本昂贵、携带沉重，而且“输出功率低且不稳定”。
然而，石墨烯材料重量轻，体积小。石墨烯是由单层六边形排列的碳原子组成的。利用激光技术，制造商可以以低成本制造出各种形状的层状石墨烯泡沫材料。当被以合适的架构使用时，石墨烯可以从运动（如人体运动）中获取能量，并将其作为电能存储在微型超级电容器中。
Cheng和他的团队应用这项技术制造了一种基于多孔石墨烯泡沫材料的自供电可拉伸健康监测仪。他们于2月1日在Applied Physics Review期刊上发表了关于该健康监测仪详细信息的论文（DOI: 10.1063/5.0077667）。
图2 基于激光诱导石墨烯泡沫材料的自供电可拉伸健康监测仪（来源：Larry Cheng研究团队、河北工业大学、湘潭大学）
这种自供电传感器可以测量用户的脉搏、温度、心电图、血压和血氧等生命体征。Cheng表示，与其他类型的可穿戴传感器的不同之处在于，我们研发的传感器不需要有线电源或充电器。
Cheng说：“在监测各种信号的同时，该自供电传感器以一种封闭的反馈回路从身体运动中收集能量。”他指出，蓝牙（Bluetooth）或无线电数据传输可以完全消除有线传感。“这是一个完全集成的系统，基于我们用来开发单个监控组件的简单、低成本、可扩展的制造方法。”
Cheng表示，这种方法有几个潜在的应用——包括人类以外的应用——比如追踪蝙蝠或海豹等野生动物的运动。这些动物的运动可以持续为自供电传感器充电。
Cheng继续说道：“我们整合了之前的一些开发项目来制造这个完整的系统——但我们的研究还没有完成。我们希望使这些系统的每个组件都尽可能经济、可持续和耐用。”
基于这一思路，Cheng和他的团队最近还发表了两篇论文，详细介绍了在改进传感器及其应用方面更高效、更经济和可再生方法的进展。
从纸巾到无线传感器的压力读数
纸巾可以用来装饰礼物、保护易碎品，现在，凭借Cheng及其团队的努力，纸巾还可以用来监测血压和呼吸状况。
去年12月，Cheng在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上发表了一篇关于一种可穿戴传感器的论文（DOI: 10.1021/acsami.1c22001），该传感器使用一种由廉价的、广泛使用的纸巾制成的小型皮肤贴片来检测血压和运动。
通过将一张纸巾浸入导电材料中，然后将其加压以形成3D支架，最后再封装成一个粘附在皮肤上的传感器。
图3 用于无线人体健康监测的基于纸巾的可穿戴传感器（来源：Larry Cheng研究团队、河北工业大学、湘潭大学）
这种无线传感器舒适的附着在用户的前臂上，并通过测量手腕血管的扩张和收缩来读取血压。据Cheng介绍，与传统的血压计相比，这是一种更小、更容易使用的可穿戴传感器，传统的血压计需要使用袖带来维持手臂的压力以获得单次读数。
Cheng说：“在医院里，当患者试图入睡时，血压计的袖带压力会影响他们的睡眠。该无线传感器将允许每天24小时连续远程监控。”
该无线传感器可以收集有关血压、心率和心脏活动的数据，这些数据通过蓝牙智能手机应用程序发送给医疗保健提供商。
该无线传感器还通过压力读数测量身体的脉动和运动，从而量化特定的运动，比如关节的运动范围。Cheng说，这些数据还可以追踪健康的运动，比如说话时的手势，从而为整合了人工智能的机器人假肢提供信息。
Cheng说：“基于压力的制造方法简单且成本低。所有的材料，比如传感器中的银，在传感器被丢弃后都可以被回收，而且随时可以再利用。”
这种无线传感器很轻，很舒适，但足够耐用，可以轻松应对用户慢跑或出汗等使用场景。研究人员还将该传感器整合到口罩中，以远程监测呼吸状况，包括早期发现阿片类药物过量等紧急情况的潜在异常。
在未来的研究中，Cheng表示，他将研究当检测到特定症状时，通过该无线传感器进行药物输送。
Cheng说道：“该无线传感器的未来迭代版本可以实时检测药物过量，并施用纳洛酮，挽救用户的生命。”
适用于潮湿环境的柔性可穿戴传感器
Cheng说，大多数可穿戴传感器使用超疏水材料来防水，但它们的柔性有限，在潮湿的环境中通常会迅速降解——这是野战医院或其他没有气候控制的医疗设施的一个主要问题。
为了解决这个问题，Cheng的实验室将超疏水材料与焦耳加热相结合，当电流通过导体时会产生热量。即使传感器处于99%湿度的环境中，热量也能提供持续的防潮性能。
其研究结果是一种能够承受高湿度的新型柔性压力传感器。这些细节在Chemical Engineering Journal期刊的3月刊之前已经在线发表（DOI: 10.1016/j.cej.2021.134370）。
图4 焦耳加热的抗湿柔性压力传感器（来源：Larry Cheng研究团队、河北工业大学、湘潭大学）
Cheng的新型柔性压力传感器是由过渡金属和海藻酸钠制成的，海藻酸钠是一种从藻类中提取的食品级材料，可以使该传感器像自然界中的荷花一样排斥大水滴。
Cheng说：“荷叶上的水滴很容易滚落，确保水不会积聚。”
Cheng表示，凭借耐用的材料和恒定的热量，即使在“极端使用场景”中，例如用户在跑步、骑自行车或晒日光浴出汗时，该柔性压力传感器也可以监测用户的生命体征。
尽管Cheng取得了各种各样的发现和进展，但他的研究还没有结束，他的研究团队将继续改变可穿戴医疗传感器领域。
Cheng说：“我们不知道灵感会从何而来——纸巾、荷花、运动能量等都被证明是富有成效的来源。从发现到研究再到应用，我们的团队正在享受制造下一代可穿戴医疗传感器的挑战。”
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