自驅(qū)動電子器件概念的提出，為解決自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器續(xù)航問題提供了重要思路

本文內(nèi)容轉(zhuǎn)載自《物理學(xué)報》第69卷，第17期，版權(quán)歸《物理學(xué)報》編輯部所有。

談溥川，趙超超，樊瑜波，李舟

北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京航空航天大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所，佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院口腔醫(yī)學(xué)院

摘要：柔性傳感器是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),，受到了廣泛的關(guān)注。然而，柔性傳感器需要外部電池供能，續(xù)航時間短，這成為了制約其發(fā)展的瓶頸。自驅(qū)動電子器件概念的提出，為解決續(xù)航問題提供了重要思路。本文梳理了自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器的最新研究進(jìn)展，從原理、材料、器件和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等角度出發(fā)，概述了不同自驅(qū)動技術(shù)在人體生理信號傳感方面的技術(shù)特點(diǎn)與研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了部分穿戴式和植入式自驅(qū)動柔性傳感器在人體的呼吸、脈搏、溫度監(jiān)測和人工感覺器官中的代表性研究工作。最后，本文還對自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器當(dāng)前的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望和總結(jié)。

關(guān)鍵詞：自驅(qū)動，生物醫(yī)學(xué)傳感器，納米發(fā)電機(jī)，柔性

1引言

在人體的各項(xiàng)生命活動中，各種器官和組織發(fā)揮著重要的作用。人體器官和組織的功能狀態(tài)體現(xiàn)在不同的生理信號中，這些生理信號包含著大量醫(yī)學(xué)信息，可用于疾病診斷和健康監(jiān)測，這對于疾病的早期預(yù)防、治療和康復(fù)起著至關(guān)重要的作用。因此開發(fā)不同原理的生物醫(yī)學(xué)傳感器具有重要意義，可極大推動生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。目前臨床及市場上的生物醫(yī)學(xué)傳感器包括血壓計、血氧儀、血糖儀、心電圖儀、腦電圖儀、紅外輻射溫度計、胃鏡、腸鏡、體內(nèi)膀胱鏡等，可以實(shí)現(xiàn)對人體生理信號的監(jiān)測，但是這其中的大部分儀器屬于有源式設(shè)備，質(zhì)量體積大，不便于攜帶，其使用范圍也僅僅局限在專業(yè)的醫(yī)療機(jī)構(gòu)中。植入式和穿戴式醫(yī)療器件的出現(xiàn)使得生物醫(yī)學(xué)傳感器的使用范圍不再局限于特定區(qū)域，更有利于對患者健康狀況實(shí)現(xiàn)長期實(shí)時監(jiān)測，提高患者的生活質(zhì)量。

生物醫(yī)學(xué)傳感器的迅速發(fā)展對其能源供給問題提出了迫切的需求，在早期的研究工作中，生物醫(yī)學(xué)傳感器通常采用電池供能。然而，電池本身龐大的體積和較大的質(zhì)量增加了傳感器的負(fù)載，很大程度上限制了微型化和便攜化醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展。隨著生物醫(yī)學(xué)傳感器的發(fā)展，其性能逐步提升，對能源需求也越來越高，因此研發(fā)不需要外部能源供給的生物醫(yī)學(xué)傳感器變得意義重大。

針對這一需求，科學(xué)家們開始嘗試著通過各種發(fā)電技術(shù)收集人體周圍環(huán)境中各種形式的能源來為生物醫(yī)學(xué)傳感器提供能量，這些發(fā)電技術(shù)包括太陽能電池、電磁發(fā)電機(jī)、生物燃料電池和熱電發(fā)電機(jī)等。2006年，王中林院士等首次提出了納米發(fā)電機(jī)，它可以將周圍無規(guī)則的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。納米發(fā)電機(jī)可以收集低頻的機(jī)械能，能量轉(zhuǎn)換率高，吸引了越來越多的科研工作者從事基于納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動設(shè)備的研究。根據(jù)工作原理的不同，納米發(fā)電機(jī)可分為壓電納米發(fā)電機(jī)、摩擦納米發(fā)電機(jī)兩種類型。納米發(fā)電機(jī)、電磁發(fā)電機(jī)及各種復(fù)合式發(fā)電機(jī)的成功研制，使得自驅(qū)動生物醫(yī)學(xué)傳感器可以利用包括太陽能、熱能、機(jī)械能和生物能等各種不同形式的能量，極大地拓寬了自驅(qū)動生物醫(yī)學(xué)傳感器的供能方式。

除了能量來源以外，生物醫(yī)學(xué)傳感器的另一個重要研究方向是材料的選擇與改進(jìn)。生物醫(yī)學(xué)傳感器的應(yīng)用場景離不開人體，這對其材料的選擇提出了很高的要求。特別是需要在體內(nèi)工作的植入式生物醫(yī)學(xué)傳感器，在其材料的選擇上顯得更加嚴(yán)苛。一方面，為了保證患者的健康，生物醫(yī)學(xué)傳感器的材料需要具有很高的生物安全性。另一方面，由于生物醫(yī)學(xué)傳感器往往與人體的皮膚或組織直接接觸，為避免對人體造成損傷，材料本身需要具有一定的柔性和拉伸性能。

本文首先討論了各種柔性自驅(qū)動生物醫(yī)學(xué)傳感器的工作原理和材料。接著，本文對大量柔性自驅(qū)動生物醫(yī)學(xué)傳感器領(lǐng)域的工作進(jìn)行了分類和篩選，并從不同的研究方向中挑選了一些代表性的工作。通過這些代表性的工作，讀者可以系統(tǒng)地了解具體研究方向的研究進(jìn)展和挑戰(zhàn)。最后，本文展望并總結(jié)了柔性自驅(qū)動生物醫(yī)學(xué)傳感器領(lǐng)域當(dāng)前存在的問題、可能的解決方案和未來的發(fā)展方向。

2自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器的定義

自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器指的是一類通過收集人體或周圍環(huán)境的能量和信息，無需外接電源就能滿足自身電能需求，同時具有柔性和可拉伸性的生物醫(yī)學(xué)傳感器，可應(yīng)用于對人體各項(xiàng)生理信息和生命活動的長期監(jiān)測。根據(jù)其工作環(huán)境是在人體內(nèi)或體外，可以分為植入式自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器和穿戴式自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器。根據(jù)其設(shè)計思路的不同，又可以分為主動式生物醫(yī)學(xué)傳感器和能源式生物醫(yī)學(xué)傳感器。

現(xiàn)有的商用傳感器常常需要外接電源才能工作，額外的電路不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時也在一定程度上增加了器件的尺寸。主動式生物醫(yī)學(xué)傳感器無需外部電源便可以直接將人體的生理信號（如力學(xué)信號、熱信號等）轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，傳輸給檢測裝置，從而大大降低了整個系統(tǒng)的復(fù)雜性（圖1（a））。常用的信號轉(zhuǎn)換裝置包括摩擦納米發(fā)電機(jī)、壓電納米發(fā)電機(jī)和熱電發(fā)電機(jī)等。能量式生物醫(yī)學(xué)傳感器則是通過各種發(fā)電技術(shù)與現(xiàn)有的傳感器技術(shù)相結(jié)合，收集人體和環(huán)境中的能量，為傳感器提供電能（圖1（b））。此時，摩擦納米發(fā)電機(jī)、壓電納米發(fā)電機(jī)和熱電發(fā)電機(jī)等不再扮演信號轉(zhuǎn)換裝置的角色，而是作為能量收集裝置為商用傳感器提供電能。

圖1 自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器的設(shè)計思路：（a）主動式生物醫(yī)學(xué)傳感器直接收集各種生理信號并轉(zhuǎn)化為電信號；（b）能源式生物醫(yī)學(xué)傳感器收集能量再為商用傳感器提供能量

一種自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器一般需要使用多種材料，根據(jù)其功能的不同，可以將這些材料分為三類。第一類是能量轉(zhuǎn)換材料，負(fù)責(zé)將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能。不同的工作原理的自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器需要使用不同的能量轉(zhuǎn)換材料，例如：具有壓電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)的聚偏二氟乙烯（PVDF），具有熱電效應(yīng)的碲化物及其合金，以及具有常用作摩擦層的聚四氟乙烯（PTFE）等。第二類是電極材料。由于自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器需要滿足柔性和拉伸性的要求，傳統(tǒng)的金屬電極已不再適用，需要在原來的基礎(chǔ)上補(bǔ)充一些特殊的加工或結(jié)構(gòu)設(shè)計。此外，一些柔性電極如氧化銦錫（ITO）和水凝膠也為自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器提供了更多電極上的選擇。第三類材料是結(jié)構(gòu)材料，其作用是隔離，封裝和保護(hù)自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器的其他材料。常用的結(jié)構(gòu)材料有硅膠、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等。

由于自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器特殊的應(yīng)用場景和應(yīng)用對象，在其材料的選擇的問題上要求很嚴(yán)格，需要考慮到材料的多項(xiàng)性能。自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器的監(jiān)測對象是人體，往往需要與人的皮膚或器官組織直接接觸，硬質(zhì)的剛性材料會帶來異物感和刺痛感，影響患者體驗(yàn)甚至危害患者的健康和安全。因此，自驅(qū)動生物醫(yī)學(xué)傳感器材料需要保證一定的柔性。如果器件的部分結(jié)構(gòu)不可避免的要使用一些剛性材料，則可以考慮使用柔性材料將剛性材料封裝起來，以避免剛性材料與人體的直接接觸。自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器的工作環(huán)境比較復(fù)雜，往往伴隨著各種各樣的體液，因此，其選用的材料需要具備一定的化學(xué)穩(wěn)定性。同時，由于自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器需要對監(jiān)測對象進(jìn)行長期的監(jiān)測，工作時間較長，對于涉及機(jī)械運(yùn)動的自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器來說，其運(yùn)動循環(huán)次數(shù)很多，對材料的機(jī)械穩(wěn)定性提出了較高的要求。此外，一些具有特殊應(yīng)用的自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器也需要一些額外的性能，比如，應(yīng)用于電子皮膚的器件在材料選擇時往往需要考慮材料的透明性，而植入式自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器的材料則有更高的生物安全性要求。

3 自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器的工作原理

自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器的電能來源于人體周圍其他形式的能量，包括機(jī)械能、熱能、光能等。為了收集這些能量，基于不同原理的納米發(fā)電機(jī)逐漸被科學(xué)家們研發(fā)出來。本文重點(diǎn)介紹適用于自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器的4種發(fā)電機(jī)：壓電納米發(fā)電機(jī)、摩擦納米發(fā)電機(jī)、熱電發(fā)電機(jī)與熱釋電發(fā)電機(jī)。除了這4種發(fā)電機(jī)以外，還有一些其他的發(fā)電技術(shù)也被用于自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器的研發(fā)，比如光伏電池、生物燃料電池、電磁發(fā)電機(jī)等。

3.1 基于壓電納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器的工作原理

壓電效應(yīng)很早就被科學(xué)家們所發(fā)現(xiàn)，近年來更是被廣泛應(yīng)用在醫(yī)療電子設(shè)備領(lǐng)域。壓電效應(yīng)指壓電材料在沿一定方向上受到外力而產(chǎn)生形變時，內(nèi)部出現(xiàn)極化并產(chǎn)生壓電電勢的現(xiàn)象。最典型的壓電材料是纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO，其內(nèi)部的Zn2+和O2–沿著c軸方向成正八面體結(jié)構(gòu)層疊排列（圖2（a））。當(dāng)沒有外力作用時，正電荷中心和負(fù)電荷中心位于同一位置，當(dāng)外力施加到四面體的任何一個軸向方向時，晶體中的正負(fù)電荷中心發(fā)生位置的偏移，從而形成偶極矩，力的方向與軸向方向越接近，偏移越明顯（圖2（b））。偶極矩的產(chǎn)生使得晶體沿著軸向方向的兩端產(chǎn)生電勢差，該電勢即為壓電電勢（圖2（c））。此時，再將壓電材料兩端接入負(fù)載或者處于短路狀態(tài)，就能產(chǎn)生電流（圖2（d））。基于這一原理，王中林院士提出了壓電納米發(fā)電機(jī)。早期的壓電納米發(fā)電機(jī)往往選用一些脆性的無機(jī)壓電材料，如BaTiO3和Pb（ZrxTi1–x）O3等，并不適用于自驅(qū)動生物醫(yī)學(xué)傳感器領(lǐng)域。隨著研究的深入，新的有機(jī)壓電材料如PVDF被相繼開發(fā)出來，壓電材料開始向柔性、薄膜化發(fā)展，也使得壓電納米發(fā)電機(jī)在自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器這一領(lǐng)域的應(yīng)用迅速發(fā)展起來。

圖2 壓電納米發(fā)電機(jī)的工作原理：（a）ZnO的晶體結(jié)構(gòu)模型；（b）ZnO納米線的壓電勢；（c）ZnO納米線壓電勢有限元分析；（d）壓電納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)制

2010年，Li等設(shè)計了一種可植入體內(nèi)的納米發(fā)電機(jī)，可利用壓電納米發(fā)電機(jī)收集小鼠體內(nèi)的機(jī)械能，該裝置的電學(xué)輸出有限，其峰值電壓低于50 mV，峰值電流低于500 pA。但是，這項(xiàng)工作首次證明了納米發(fā)電機(jī)可以在體內(nèi)為植入式醫(yī)療設(shè)備提供能量，為自驅(qū)動植入式生物醫(yī)療傳感器的研究奠定了基礎(chǔ)。

3.2 基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器的工作原理

王中林院士于2016年提出的摩擦納米發(fā)電機(jī)，是機(jī)械能收集的又一開創(chuàng)性工作。摩擦納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理基于摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)效應(yīng)的耦合。兩種不同材料相互摩擦后，由于其對電子的吸附能力的差異，一種材料會帶上正電荷，而另一種材料會帶上負(fù)電荷，同時，兩種材料的背側(cè)電極上會產(chǎn)生感應(yīng)電荷。當(dāng)兩種材料分離時，正負(fù)電荷發(fā)生分離，這種正負(fù)電荷分離會相應(yīng)的在材料的上下電極上產(chǎn)生電勢差。隨著兩種材料的距離發(fā)生變化，電勢也會發(fā)生周期性的變化。同壓電納米發(fā)電機(jī)類似，將兩種材料的外側(cè)通過外部電路或負(fù)載連接起來，可以產(chǎn)生交變的感應(yīng)電流。

摩擦納米發(fā)電機(jī)選材廣泛，原則上，可由任何兩種材料組裝制備而成，這使得其在各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。另一方面，摩擦納米發(fā)電機(jī)對低頻條件的機(jī)械能也具有良好的收集能力。由于人體的各種運(yùn)動一般屬于低頻運(yùn)動，這使得摩擦納米發(fā)電機(jī)能夠很契合的應(yīng)用在生物機(jī)械能的收集上。如圖3所示，摩擦納米發(fā)電機(jī)具有4種基本模式，分別是接觸分離式、滑動式、單電極模式和獨(dú)立層式。4種摩擦納米發(fā)電機(jī)具有各自不同的應(yīng)用場景，都在機(jī)械能收集上有廣泛的應(yīng)用。

圖3 摩擦納米發(fā)電機(jī)的4種工作模式：（a）接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)；（b）滑動式摩擦納米發(fā)電機(jī)；（c）單電極模式摩擦納米發(fā)電機(jī)；（d）獨(dú)立層式摩擦納米發(fā)電機(jī)

2014年，Zheng等設(shè)計了一種植入式摩擦納米發(fā)電機(jī)，將器件植入大鼠的胸皮下方或膈肌與肝臟之間，通過收集大鼠呼吸產(chǎn)生的機(jī)械能，為植入式心臟起搏器供電。這一設(shè)計首次證明了摩擦納米發(fā)電機(jī)在植入式醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用的可行性，極大地拓寬了植入式自驅(qū)動生物醫(yī)學(xué)傳感器的研究思路。

3.3 基于熱能收集的自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器的工作原理

熱能是自然界中另一種常見的能量形式，人體作為一種熱源，可以充當(dāng)基于熱電效應(yīng)裝置的能量來源。熱電發(fā)電的原理基于塞貝克效應(yīng)，即兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體在溫度梯度下，兩種物質(zhì)間產(chǎn)生電勢差的現(xiàn)象。如圖4所示，熱電偶由兩種具有不同塞貝克系數(shù)的金屬A和B組成，材料兩端的溫度差會導(dǎo)致兩種材料在輸出端之間形成電勢差。另外，將單個金屬導(dǎo)體置于溫度梯度下，內(nèi)部載流子從熱端移至冷端，然后在冷端積聚，也可以產(chǎn)生沿溫度梯度方向的自旋電壓。常見的無機(jī)熱電材料通常剛性較大且易碎，不能滿足當(dāng)前生物醫(yī)學(xué)傳感器對器件的柔性要求。針對這一問題，越來越多的具有優(yōu)良性能的二維熱電材料被研發(fā)出來。

圖4 熱電發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理

熱釋電發(fā)電機(jī)也可以收集熱能產(chǎn)生電能，但是這種發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理與熱電發(fā)電機(jī)截然不同。熱電發(fā)電機(jī)通過溫度梯度來收集熱能，而熱釋電發(fā)電機(jī)通過溫度的變化來收集熱能，這一現(xiàn)象往往出現(xiàn)在一些鐵電材料中。鐵電材料中的電偶極子的擺動幅度會隨環(huán)境溫度的變化而變化，當(dāng)環(huán)境溫度升高時，電偶極子的擺動幅度增大，電極的感生電荷增加，從而產(chǎn)生電子的流動。無論是熱電發(fā)電機(jī)還是熱釋電發(fā)電機(jī)，其重要問題都是能源收集效率的問題，特別是應(yīng)用在自驅(qū)動生物醫(yī)學(xué)傳感器領(lǐng)域時，皮膚熱阻、材料熱阻、熱擴(kuò)散等都是限制其能源收集效率的潛在因素。

4 自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器的應(yīng)用

4.1 自驅(qū)動柔性呼吸傳感器

呼吸是人類的一個重要健康指標(biāo)，呼吸運(yùn)動與人體的所有生命活動都有內(nèi)在的聯(lián)系，可實(shí)時反映人的健康狀況。睡眠呼吸暫停低通氣綜合征是臨床中常見的嚴(yán)重呼吸系統(tǒng)疾病，患病者具有較高的健康風(fēng)險。目前，睡眠監(jiān)測是該疾病臨床診斷的重要標(biāo)準(zhǔn)。因此，對于睡眠醫(yī)學(xué)來說，開發(fā)一種能夠長時間連續(xù)監(jiān)測自發(fā)性呼吸而又不影響睡眠質(zhì)量的呼吸監(jiān)測設(shè)備至關(guān)重要。此外，一些研究表明，人體呼出的氣體含有多種化學(xué)成分，這些化學(xué)成分也可用于檢測人體的健康狀況，甚至可以診斷某些特定疾病。因此，除了監(jiān)測呼吸運(yùn)動之外，呼出空氣的檢測和分析也很重要。

2017年，Liu等提出了一種用于呼吸監(jiān)測的穿戴式自驅(qū)動傳感器，該傳感器先在硅基板上靜電紡絲制備出PVDF薄膜，再經(jīng)過極化后制成。通過與彈性綁帶集成，這種柔性壓電納米發(fā)電機(jī)可以將呼吸運(yùn)動的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，實(shí)時監(jiān)控人的呼吸狀況（圖5（a））。2017年，Xue等通過將PVDF薄膜與N95型口罩集成在一起，制造出了一種可穿戴的熱釋電呼吸傳感器。人體呼氣和吸氣時會發(fā)生溫度波動，此時這種穿戴式熱釋電呼吸傳感器可以通過PVDF薄膜的熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生的電信號反映出穿戴者的呼吸狀態(tài)。在50 MΩ的外部負(fù)載下，該可穿戴熱釋電呼吸傳感器的最大功率可以達(dá)到8.31 μW（圖5（b））。

圖5 自驅(qū)動柔性呼吸傳感器：（a）基于柔性壓電納米發(fā)電機(jī)的穿戴式自驅(qū)動呼吸傳感器；（b）與N95口罩集成的熱釋電可穿戴呼吸傳感器；（c）基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的主動式酒精呼吸分析儀

除了對呼吸直接的監(jiān)測以外，對呼出氣體成分的監(jiān)測也是非常有意義的。2015年，Wen等制造了一種基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的呼吸傳感器，將摩擦納米發(fā)電機(jī)作為呼出氣體酒精檢測系統(tǒng)的電源（圖5（c））。該裝置通過一個轉(zhuǎn)盤式摩擦納米發(fā)電機(jī)來收集呼出氣體的機(jī)械能，同時，基于Co3O4的氣體傳感器的電阻會隨環(huán)境酒精濃度變化而變化。該基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的氣體傳感系統(tǒng)可以檢測到10 ppm(1 ppm=0.001‰)的低濃度酒精，當(dāng)喝酒的人向儀器呼氣時，其產(chǎn)生的電壓會觸發(fā)警報系統(tǒng)并發(fā)出警告信號。

4.2 自驅(qū)動柔性脈搏傳感器

心臟是保證人體中各種其他器官、系統(tǒng)和整個身體正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要器官，其主要功能是為血液流向身體各部分提供動力。脈搏信號是監(jiān)測心臟狀態(tài)的重要標(biāo)志。許多臨床疾病，尤其是心血管疾病，會使患者的脈搏發(fā)生異常搏動。脈搏監(jiān)測可及時發(fā)現(xiàn)異常的心臟活動，是預(yù)防突發(fā)性心血管疾病的第一道防線，有助于相關(guān)心血管疾病的診斷和治療。脈搏的長期連續(xù)監(jiān)測對于心血管疾病患者更為重要，然而，在當(dāng)前臨床中使用的心電圖儀相對比較笨重，不便于隨身攜帶和使用。為了實(shí)現(xiàn)長期連續(xù)的脈搏監(jiān)測并確保監(jiān)測結(jié)果的精度和準(zhǔn)確性，許多研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)出具有高靈敏度和便攜性的自驅(qū)動脈搏傳感器，這對促進(jìn)移動醫(yī)療設(shè)備和遠(yuǎn)程醫(yī)療的發(fā)展具有重要意義。

將設(shè)備植入到心包外直接對心臟搏動進(jìn)行監(jiān)測，是最直接的脈搏監(jiān)測方式。2016年，Ma等提出了一種基于柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)的主動式脈搏傳感器，該裝置可以將心臟運(yùn)動產(chǎn)生的力學(xué)信號直接轉(zhuǎn)換為電信號（圖6（a）），用于脈搏信號的連續(xù)監(jiān)測。2017年Ouyang等基于摩擦電效應(yīng)開發(fā)了一種柔性的自驅(qū)動超靈敏脈搏傳感器（圖6（b））。當(dāng)該器件用于人體脈搏檢測時，其輸出可以達(dá)到1.52 V，響應(yīng)時間為50 μs，峰值信噪比高達(dá)45 dB。其收集的脈搏信號與常規(guī)脈搏信號的二階導(dǎo)數(shù)一致，對某些特定心血管疾?。ㄈ缧穆刹积R和心房纖顫等）的診斷具有指導(dǎo)性意義。2018年，Park等設(shè)計了一種自驅(qū)動超柔性生物傳感器，該傳感器能夠?qū)崟r準(zhǔn)確地監(jiān)測心率（圖6（c））。這種傳感器是通過在超薄聚對二甲苯基板（厚度為1 μm）上將有機(jī)光伏電池與有機(jī)電化學(xué)晶體管集成在一起而制成的。其內(nèi)置的有機(jī)光伏電池可以在室內(nèi)光照條件下正常工作，驅(qū)動其內(nèi)置的傳感器以大約1 V的低電壓條件運(yùn)行。當(dāng)該傳感器連接到手指，同時，凝膠電極連接到人的胸部時，其有機(jī)電化學(xué)晶體管可以獲取清晰穩(wěn)定的心率信號。

圖6 自驅(qū)動柔性脈搏傳感器：（a）用于實(shí)時生物醫(yī)學(xué)監(jiān)測的自驅(qū)動多功能植入式傳感器；（b）基于摩擦電效應(yīng)的柔性自驅(qū)動超靈敏脈搏傳感器；（c）基于有機(jī)光伏電池的自驅(qū)動超柔性生物傳感器

4.3 自驅(qū)動柔性體溫傳感器

體溫則是另一項(xiàng)重要的生命體征。健康人的體溫相對恒定，當(dāng)人體偏離正常體溫時，人體的正常新陳代謝將受到影響，并導(dǎo)致細(xì)胞、組織和器官的功能紊亂。因此，體溫監(jiān)測對人體健康評估具有重要意義。發(fā)熱是一些流行病的常見病理性表現(xiàn)，對體溫的監(jiān)測是遏制這些流行病傳播的重要手段。近年來的一些研究表明，對于溫度診斷而言，連續(xù)的體溫監(jiān)測比單獨(dú)測量具有更高的醫(yī)學(xué)價值，而連續(xù)的人體溫度監(jiān)測離不開可穿戴設(shè)備和自驅(qū)動技術(shù)的支持。因此，開發(fā)一種可以全天連續(xù)監(jiān)測體溫的自驅(qū)動可穿戴設(shè)備具有很重要的醫(yī)學(xué)意義。

2012年，Yang等提出了一種基于熱釋電納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動溫度傳感器，由單根鈦酸鋯鈦酸鉛納米線制成（圖7（a））。這種納米線的輸出電壓與溫度變化率呈正相關(guān)關(guān)系，室溫條件下，最小溫度檢測極限為0.4 K，可用于檢測人的指尖溫度。2015年，Zhang等報道了一種柔性自驅(qū)動的溫度-壓力雙參數(shù)傳感器，該傳感器由有機(jī)熱電材料和微結(jié)構(gòu)支撐框架制成?；跓犭娦?yīng)和壓電效應(yīng)的耦合作用，自驅(qū)動雙參數(shù)傳感器可同時區(qū)分0.1 K的溫度變化和28.9 kPa–1的壓力變化。結(jié)合噴墨印刷技術(shù)，Zhang等制備了高度集成的可穿戴溫度傳感器陣列（圖7（b））。2015年，Wang等設(shè)計了一種復(fù)合式納米發(fā)電機(jī)，將兩個摩擦納米發(fā)電機(jī)和兩個電磁發(fā)電機(jī)巧妙地集成在一個小的丙烯酸盒中（圖7（c））。通過收集呼吸氣流的機(jī)械能，該復(fù)合式納米發(fā)電機(jī)可以持續(xù)驅(qū)動4個商用溫度傳感器。當(dāng)氣流速度為約18 m/s時，該復(fù)合納米發(fā)電機(jī)的摩擦納米發(fā)電機(jī)部分在3 MΩ的負(fù)載電阻最大輸出功率為3.5 mW，電磁發(fā)電機(jī)部分在2 kΩ的負(fù)載電阻下可產(chǎn)生1.8 mW的最大輸出功率。在兩種發(fā)電機(jī)的共同工作下，無線溫度傳感器被成功驅(qū)動。

圖7 自驅(qū)動柔性體溫傳感器：（a）基于熱釋電發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動溫度傳感器；（b）由熱電材料制成的自驅(qū)動溫度-壓力雙參數(shù)傳感器；（c）基于復(fù)合發(fā)電機(jī)的溫度傳感器系統(tǒng)

4.4 自驅(qū)動柔性人工感覺器官

人體通過各種感覺器官感知周邊環(huán)境，應(yīng)對環(huán)境的各種變化。部分殘障人士由于器官受損，可能存在一些感知障礙，給他們的正常生活帶來了許多困擾。自驅(qū)動柔性人工感覺器官可以為他們的生活帶來極大的幫助。現(xiàn)階段，研究者已經(jīng)在自驅(qū)動柔性聽覺傳感器、自驅(qū)動柔性觸覺傳感器和自驅(qū)動柔性嗅覺傳感器等方向上有了一定的突破。此類人工感覺器官的進(jìn)步，一方面可以促進(jìn)生物醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展，另一方面也會給機(jī)器人領(lǐng)域帶來很大的推動。

2018年，Guo等設(shè)計了一種人工耳，這種人工耳將聲學(xué)信息轉(zhuǎn)換為力學(xué)信息，再根據(jù)摩擦納米發(fā)電機(jī)的原理將力學(xué)信息轉(zhuǎn)換為電學(xué)信息進(jìn)行識別。摩擦納米發(fā)電機(jī)對力學(xué)信息的識別具有寬頻的特性，基本能覆蓋人日常交流的聲音頻率（圖8（a））。2018年，Wang等研發(fā)制備了一種基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的透明可拉伸觸覺傳感器。器件中的聚乙烯醇通過靜電紡絲制成，結(jié)合濕法刻蝕等工藝，制成了8×8的陣列。該器件兼具高透明度、高壓力敏感性、可拉伸性及多點(diǎn)觸控操作等特性，能夠同時實(shí)現(xiàn)生物機(jī)械能收集、觸覺感知等功能，為制備可拉伸透明的觸覺傳感器提供了一個全新的思路（圖8（b））。2019年，Zhong等構(gòu)建了一套可以替代人嗅覺的電-腦-行為閉環(huán)系統(tǒng)?；诩{米發(fā)電機(jī)與生物體嗅覺神經(jīng)反饋的原理，這套系統(tǒng)可以使小鼠對危險氣體進(jìn)行識別并做出反饋，避開危險區(qū)域（圖8（c））。隨著微電子技術(shù)的不斷成熟，此類人工耳蝸，電子皮膚和人工嗅覺閉環(huán)等工作器件的分辨率將越來越精細(xì)，可望滿足未來工業(yè)和市場的要求。

圖8 自驅(qū)動柔性人工感覺器官：（a）用于機(jī)器人和助聽器的自驅(qū)動聽覺傳感器；（b）用于可穿戴電子設(shè)備的自驅(qū)動觸覺傳感器；（c）用于智能嗅覺替換的摩擦電-腦-行為閉環(huán)

5 展望

上述的各種自驅(qū)動生物醫(yī)學(xué)傳感器，往往關(guān)注單一種類生理信號的采集，然而，生理信號的種類多種多樣，醫(yī)療診斷往往需要綜合參考多種生理信號。單一功能的自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器已經(jīng)不能滿足診斷的需求，多種功能的集成將成為一種發(fā)展趨勢。2020年，Chen等設(shè)計的多功能傳感系統(tǒng)可以同時實(shí)現(xiàn)對手臂肌肉的溫度和應(yīng)力的監(jiān)測（圖9（a））。同時，多功能的傳感系統(tǒng)也提升了設(shè)計難度，對能耗提出了更高的要求。

圖9 自驅(qū)動柔性生物傳感器的重要研究方向：（a）多功能的傳感系統(tǒng)；（b）無線信號傳輸；（c）柔性人機(jī)界面

在自驅(qū)動生物醫(yī)學(xué)傳感器研究的早期階段中，考慮到信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，自驅(qū)動生物醫(yī)學(xué)傳感器的信號傳輸方式通常采用有線傳輸。隨著無線信號傳輸技術(shù)的發(fā)展與成熟，無線信號傳輸成為自驅(qū)動柔性生物傳感器的一個重要研究內(nèi)容。對于穿戴式自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器，無線信號傳輸可以節(jié)省線路，簡化整個系統(tǒng)的復(fù)雜性。對于植入式自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器，要將體內(nèi)收集到的信號透皮傳輸?shù)襟w外，同時盡量減少對生物體的損傷，無線信號傳輸就顯得至關(guān)重要。2019年，Niu等設(shè)計的傳感器網(wǎng)絡(luò)，引入了一種非常規(guī)的射頻技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對人體脈搏、呼吸和身體運(yùn)動的連續(xù)實(shí)時監(jiān)測（圖9（b））。

自驅(qū)動生物醫(yī)學(xué)傳感器是一種實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的工具，因此，在自驅(qū)動生物醫(yī)學(xué)傳感器的研制中，構(gòu)建良好的人機(jī)界面非常重要。特別的，因?yàn)檫@些設(shè)備應(yīng)用于生物醫(yī)療領(lǐng)域，又對它們提出了無毒無害和柔性的新要求。Rogers課題組長期專注于柔性電子器件的研究，2019年，他們研發(fā)了一種無線、無需電池的觸覺信息界面，這種界面可以輕柔地附著在皮膚上，并通過可編程的局部機(jī)械振動來實(shí)現(xiàn)觸覺信息的遠(yuǎn)程傳輸（圖9（c））。

6 總結(jié)

近年來，關(guān)于自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器的研究發(fā)展迅猛，研究者針對自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器開展了各方面的研究，其研究方向主要體現(xiàn)在性能的提升，應(yīng)用場景的拓展，與新技術(shù)的結(jié)合，以及新結(jié)構(gòu)、新原理的研發(fā)等方面。同時，研究者們也致力于通過各種努力彌補(bǔ)現(xiàn)有自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器的各種不足，其努力方面包括以下幾個方面。

首先是自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器的器件小型化。當(dāng)前，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展與成熟，電子元器件的尺寸已經(jīng)足夠小且精細(xì)，然而，當(dāng)前的自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器仍然處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，大部分器件依賴手工制作，這對器件的高精度和微型化的要求提出了挑戰(zhàn)。研究者們借鑒工業(yè)生產(chǎn)中的各項(xiàng)優(yōu)秀技術(shù)，比如柔性電路板制作和3D打印技術(shù)，使得自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器的精度和微型化得到了很大的提升。第二個問題是自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器的循環(huán)穩(wěn)定性：一方面，器件的機(jī)械穩(wěn)定性有待接受復(fù)雜環(huán)境的考驗(yàn)；另一方面，能量收集能力、儲能能力、能量轉(zhuǎn)換能力等方面的提升，可以提升自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器的有效工作時間?，F(xiàn)有的能量收集技術(shù)在理論上是足夠的，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于多種因素引起的衰減，效果并不理想。研究者們利用多層化、陣列化和復(fù)合發(fā)電機(jī)的方案來提高自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器發(fā)電效率。此外，全柔性也是自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器需要解決的問題之一?，F(xiàn)有的封裝材料和發(fā)電材料都可以滿足柔性的要求，但是，現(xiàn)有的柔性電路技術(shù)仍與實(shí)際使用的要求相差甚遠(yuǎn)。為了實(shí)現(xiàn)真正有效的柔性電路，研究人員提出了各種思路，如功能性水凝膠、導(dǎo)電聚合物、電子織物和離子導(dǎo)體等。

自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器具有廣闊的應(yīng)用前景，因而受到了廣泛的關(guān)注和研究。但是，缺乏柔性電路和更高效的發(fā)電技術(shù)的瓶頸限制了自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器的發(fā)展。未來新技術(shù)和新材料的發(fā)現(xiàn)，將會繼續(xù)推動自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器取得長足的進(jìn)步和發(fā)展。

原文標(biāo)題：自驅(qū)動柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器的研究進(jìn)展

文章出處：【微信公眾號：MEMS】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請注明出處。