受蜘蛛启发的可调谐机械传感器，实现宽动态范围的生物信号检测
2023-03-18 22:15:33 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员开发了一种可调谐、超灵敏、受自然启发的表皮传感器（TUNES），其应变灵敏度显著提高，压力灵敏度可通过预设膜张力进行调节。
近年来，可穿戴传感器领域取得了显著的进展，但仍存在一定的局限性，需要根据目标信号重新制作和调整传感器。然而，生物感觉系统具有根据外部环境调节其灵敏度的内在潜力，从而实现广泛且增强的检测。
据麦姆斯咨询报道，近日，韩国首尔大学医院（Seoul National University Hospital）和亚洲大学（Ajou University）联合开发了一种可调谐、超灵敏、受自然启发的表皮传感器（TUNES），其应变灵敏度显著提高（应变系数~30 k），压力灵敏度可通过预设膜张力进行调节（10-254 kPa⁻¹）。该传感器通过预设张力来调节压力灵敏度，因此它可以以最佳性能检测宽动态范围（0.05 Pa-25 kPa）：从微小脉冲等非常小的信号到肌肉收缩和呼吸等相对较大的信号。研究人员通过临床试验将TUNES与目前被认为是血压金标准的有创血压传感器（r=0.96）和通过机器学习对老年/青年脉搏波进行二元分类的家庭医疗保健系统（准确率95%）进行比较，证明了其作为可穿戴健康监测系统的能力。
在蜘蛛中，应变探测器由嵌入表皮并被外膜覆盖的平行狭缝组成，并且位于腿关节附近。腿部的狭缝随着腿部姿势被压缩或释放，外力的振动通过压缩使狭缝闭合。狭缝中灵敏度的变化可以让蜘蛛探测到从高到低的各种振动，以捕捉小猎物或逃离巨大的捕食者。通过模拟狭缝器官的几何形状和调谐机制，研究人员通过在金属化聚酰亚胺（PI）膜上产生纳米级裂纹，设计了一种对施加的应变具有非线性电阻变化的传感器。裂纹传感器可以通过传感器的预应变（预设应变：0-1%）来调节灵敏度，如同蜘蛛腿一样。
受蜘蛛感觉器官启发的灵敏度调谐机制
所开发的裂纹传感器具有调节其灵敏度以测量不同范围的应变或压力的能力。与现有的灵敏度和测量范围相冲突的压力传感器相比，裂纹传感器在0.05 Pa-25 kPa压力范围内具有10-254 kPa⁻¹的可调谐灵敏度，增强了对各种压力范围生物信号的检测。
裂纹传感器的可调谐灵敏度和机械特性
进一步，研究人员证明了增强的生物信号（尤其是脉搏波）通过无创血压监测和机器学习实现可穿戴家庭保健和自我诊断系统的可行性。灵敏度的提高为脉搏波测量提供了高精度和高分辨率。TUNES和被称为金标准的有创血压测量之间的脉搏波的相似性为96%。TUNES可以测量不同脉搏点的脉搏波，即使在步行和骑自行车等运动状态下也可以测量颞动脉。此外，测量和蓝牙传输系统可以由简单的嵌入式电路组成，而不需要大型复杂的设备。
用于非侵入式生物医学传感的TUNES
总之，受蜘蛛狭缝器官的启发，研究人员开发了一种超灵敏的可调谐机械传感器，可以通过调整预设应变来调节其灵敏度。这种可调谐性源于所使用的纳米裂纹传感器的非线性特性。因此，单个传感器可以测量呼吸、肌肉收缩/松弛、手腕脉搏等多种生物信号，并在临床试验中与商业医疗设备进行比较，展示了生物医学应用的潜力。未来的工作重点是开发一种集成系统，将无线通信与电机控制系统相结合，以最佳灵敏度自动控制传感器的预设应变，并基于固有可拉伸材料或剪纸艺术kirigami设计来提高传感器的结构灵活性，从而在不损坏的情况下检测更大范围的压力。
论文信息：https://www.nature.com/articles/s41528-023-00247-2
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