雙螺旋紗線結(jié)構(gòu)，改善傳感器信號滯后問題

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，由紗線編織的具有電子傳感功能的智能織物已經(jīng)被用于遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷，不過，傳統(tǒng)智能織物的信號一致性問題仍有待解決。近日，由香港城市大學(xué)（CityU）領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究受到DNA結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)雙螺旋結(jié)構(gòu)織物可以幫助解決上述挑戰(zhàn)。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開發(fā)了一種紡織柔性壓阻傳感器，可用于人體脈搏監(jiān)測。這種傳感器響應(yīng)迅速，形變后可快速恢復(fù)，并且信號穩(wěn)定。該團(tuán)隊(duì)希望將該傳感器引入不斷增長的醫(yī)療保健市場。

該研究團(tuán)隊(duì)由香港城市大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系教授、可穿戴醫(yī)療材料實(shí)驗(yàn)室主任胡金蓮教授領(lǐng)導(dǎo)。這項(xiàng)研究成果已在學(xué)術(shù)期刊Advanced Materials上發(fā)表，標(biāo)題為“Ultrafast-Response/Recovery Flexible Piezoresistive Sensors with DNA-Like Double Helix Yarns for Epidermal Pulse Monitoring”。

雙螺旋紗線結(jié)構(gòu)，改善傳感器信號滯后問題

“基于紡織品的傳感器具有多種優(yōu)勢，例如柔性、可拉伸性和透氣性，因此它們已被用于制造柔性壓阻傳感器。”胡教授說。然而，紡織傳感器通常具有滯后（hysteresis）問題，因?yàn)樗鼈冊诟淖冃螤詈筝^難快速恢復(fù)原狀。此外，一般紡織傳感器的信號一致性較差，因此測量結(jié)果往往不可重復(fù)，這阻礙了它們的應(yīng)用。

為了解決滯后問題，傳統(tǒng)的策略是將彈性聚合物整合到紡織品中。胡教授團(tuán)隊(duì)則另辟蹊徑，從紗線本身的結(jié)構(gòu)著手。他們制造出具有類似DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的紗線，將兩條紗線捻在一起制成織物。胡教授解釋說：“這種方法巧妙地將兩條紗線捻成一條，使兩條紗線之間產(chǎn)生穩(wěn)定的粘合力，這樣織物就不容易松脫，變形后可以更快速地恢復(fù)原狀。”

利用紡織柔性壓阻傳感器檢測表皮脈搏

胡教授指出，普通紡織傳感器滯后的關(guān)鍵原因是紗線壓縮變形后，相互摩擦的紗線無法很快恢復(fù)原狀。然而，她的團(tuán)隊(duì)制造的紗線采用了雙螺旋結(jié)構(gòu)，將紗線緊密地繃緊在一起，減少摩擦引起的滑移，從而可以改善滯后的問題。

在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開發(fā)了一種具有超快響應(yīng)和超強(qiáng)恢復(fù)能力的紡織柔性壓阻傳感器，并進(jìn)行了表皮脈搏監(jiān)測實(shí)驗(yàn)。

A）展示了一種常見的編織技術(shù)；B）展示了本研究采用的雙螺旋結(jié)構(gòu)紗線（右下角的插圖展示了DNA結(jié)構(gòu)）；C）展示了具有芯鞘結(jié)構(gòu)的纖維；D-F）相應(yīng)織物表面的電子顯微鏡掃描圖像；G）本研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的紡織壓阻傳感器；H）展示了紡織壓阻傳感器卓越的柔性；I）展示了組裝在膠帶上的紡織壓阻傳感器。

該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的紡織柔性壓阻傳感器由五層結(jié)構(gòu)組成。中間層織物由雙螺旋結(jié)構(gòu)的紗線編織而成，置于聚酰亞胺（PI）基板的電極層上。然后，研究人員用凝膠密封這三層結(jié)構(gòu)，最后在其頂面覆蓋一層聚萘二甲酸乙二醇（PEN）薄膜。

對紡織柔性壓阻傳感器通電后，電極層上的織物在表皮脈搏跳動(dòng)下發(fā)生變形產(chǎn)生電阻，并會(huì)根據(jù)脈搏的變化產(chǎn)生不同的信號。該團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這種紡織柔性壓阻傳感器可以檢測頸部和手腕上的表皮脈搏，并且，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)前后監(jiān)測到的手腕脈搏信號會(huì)有差異。此外，從正常女性和診斷為竇性心動(dòng)過緩的男性采集的腕部脈搏信號，也存在顯著差異。

與其他單股紡織傳感器（上圖）相比，胡教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)的雙螺旋結(jié)構(gòu)傳感器（下圖）生成的信號一致性更好。

超快響應(yīng)，超快恢復(fù)

胡教授評論稱：“與其他紡織傳感器相比，我們開發(fā)的這款器件具有更高的靈敏度。它可以感知重量只有9毫克的一粒谷物形成的壓力。此外，這款傳感器的響應(yīng)速度非?？?，只需兩毫秒就可以生成信號，一毫秒就可以從脈搏跳動(dòng)后的形變中恢復(fù)。這款紡織柔性壓阻傳感器經(jīng)過測試證明了耐久性，它可以重復(fù)使用6000次后仍保持95%的初始性能。最重要的是，我們還解決了普通紡織傳感器的滯后問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器具有出色的信號一致性，并在各個(gè)方面都展現(xiàn)了平衡的性能?！?/p>

研究小組在中醫(yī)把脈常用的“寸”、“關(guān)”和“尺”位置分別放置了一組傳感器，展示了這款紡織傳感器在傳統(tǒng)中醫(yī)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。

胡教授認(rèn)為這款創(chuàng)新的高效紡織柔性壓阻傳感器是表皮脈搏檢測技術(shù)的新突破。它可以靈活地組裝在各種可穿戴設(shè)備上，還有助于推動(dòng)中醫(yī)把脈技術(shù)的現(xiàn)代化。

審核編輯 ：李倩