通過絲網(wǎng)印刷制作的柔性傳感器應(yīng)用

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員在郵票大小的柔性表面上通過絲網(wǎng)印刷制作了一種柔性傳感器，能夠?qū)⒁粚?duì)真無線立體聲（TWS）耳機(jī)變成能夠記錄大腦電活動(dòng)以及身體乳酸水平的健康監(jiān)測(cè)工具。這種傳感器還能夠與耳機(jī)通信，然后耳機(jī)將捕捉到的數(shù)據(jù)無線發(fā)送到智能手機(jī)或筆記本電腦，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化和更詳細(xì)的分析。這些信息對(duì)于長(zhǎng)期健康跟蹤以及識(shí)別慢性神經(jīng)疾病非常有意義。

該傳感器由加州大學(xué)圣地亞哥分校的一支多學(xué)科工程師團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)，旨在為監(jiān)測(cè)大腦活動(dòng)和汗液水平提供一種更方便的替代方案。值得注意的是，該傳感器可以在用戶的日常活動(dòng)中使用，包括體育鍛煉。雖然耳內(nèi)監(jiān)測(cè)的概念并不新鮮，但將大腦信號(hào)和身體信號(hào)采集整合在一個(gè)單元中還是首次。研究人員認(rèn)為，由于耳機(jī)應(yīng)用非常普遍，因而能夠?yàn)楦p松、更方便地收集健康數(shù)據(jù)提供機(jī)遇。該研究成果已發(fā)表于2023年10月份的Nature Biomedical Engineering期刊。

這種創(chuàng)新的傳感器可以從腦電圖（EEG）中收集數(shù)據(jù)，還可以測(cè)量乳酸（一種在運(yùn)動(dòng)過程和典型代謝中產(chǎn)生的有機(jī)酸）。這些數(shù)據(jù)具有多種潛在應(yīng)用，例如診斷不同類型的癲癇發(fā)作，或評(píng)估體力和壓力水平等。該團(tuán)隊(duì)通過商用腦電圖設(shè)備和含有乳酸的血液樣本測(cè)試了其傳感器，發(fā)現(xiàn)其傳感器具有同樣可靠的性能。然而，目前存在一個(gè)缺點(diǎn)是，只有當(dāng)用戶出汗時(shí)才能收集到有意義的乳酸數(shù)據(jù)，而這通常需要在用戶鍛煉時(shí)才能捕捉。未來的研究旨在消除這一限制。

為了實(shí)現(xiàn)耳內(nèi)收集腦電圖信號(hào)，研究人員不得不設(shè)計(jì)更小、更緊湊且適配耳機(jī)的電極來收集電生理信號(hào)。他們還必須找到一種合適的材料來收集汗液并感測(cè)乳酸。在對(duì)人類受試者進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)后，研究人員確定收集并記錄乳酸數(shù)據(jù)的最佳位置是耳屏，這里是汗液積聚的耳朵入口處。該團(tuán)隊(duì)還從過去的經(jīng)驗(yàn)中獲悉，要收集腦電圖數(shù)據(jù)，需要指向顳葉的高性能生理電極。

研究人員介紹稱：“主要的技術(shù)挑戰(zhàn)不僅是在耳朵里安裝兩個(gè)傳感器（耳道是一個(gè)因個(gè)體而異的狹小空間），而且還需要可靠地捕捉腦電圖和乳酸信號(hào)。另外，還必須考慮耳機(jī)的集成，減少串?dāng)_。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種類似郵票的可拉伸傳感器，可以很方便地附著在耳機(jī)上，并且具有我們需要的所有必要功能，提供了足夠的設(shè)計(jì)自由度?！?/p>

為了確保電生理傳感器與耳朵牢固接觸，研究人員設(shè)計(jì)了一種3D彈簧承載傳感器，可以使傳感器保持接觸，并能隨著耳機(jī)的移動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。另一方面，為了改善汗液收集，研究人員用透明水凝膠膜覆蓋其電化學(xué)傳感器。據(jù)稱，水凝膠像海綿一樣，且具有親水性，它可以充當(dāng)耳朵皮膚和傳感器之間的機(jī)械緩沖，還有助于收集汗液。

由于耳朵內(nèi)部空間有限，很難避免兩個(gè)傳感器之間的串?dāng)_。研究人員分析了各種材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證了用兩個(gè)相隔兩毫米的傳感器同時(shí)記錄腦電圖和乳酸信號(hào)的可行性。

此外，該團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)考量了直接在設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終目標(biāo)是將處理后的數(shù)據(jù)無線發(fā)送到計(jì)算機(jī)或智能手機(jī)。他們還設(shè)想在耳內(nèi)傳感器的功能中添加其它傳感指標(biāo)，如氧飽和度和葡萄糖水平等。長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，研究人員認(rèn)為這些拓展有助于邁向創(chuàng)新的醫(yī)療診斷方法。例如，未來的耳機(jī)、手表和手機(jī)等可穿戴設(shè)備，可以全天候無縫跟蹤各種大腦和身體信號(hào)，從而增強(qiáng)用戶的整體健康和體能。

加州大學(xué)圣地亞哥分校Shu Chien Gene Lay生物工程系教授Gert Cauwenberghs說：“能夠在不影響用戶舒適度和行動(dòng)能力的入耳式集成設(shè)備中測(cè)量大腦認(rèn)知活動(dòng)和身體代謝動(dòng)態(tài)，這必將為提高所有年齡段人群的健康水平開辟巨大機(jī)遇。”

審核編輯：黃飛