用于穿戴式和植入式健康監(jiān)測(cè)的柔性應(yīng)變傳感器

柔性纖維狀應(yīng)變傳感器憑借其與日常服裝的兼容性，在穿戴式健康監(jiān)測(cè)和人機(jī)交互方面顯示出巨大的潛力。然而，用于制造纖維狀應(yīng)變傳感器的傳統(tǒng)制造方法（包括順序涂層和溶液擠出）獲得的導(dǎo)電敏感材料的可拉伸性有限，導(dǎo)致有限的拉伸范圍和潛在的界面分層。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，天津大學(xué)栗大超教授研究團(tuán)隊(duì)采用墨水直寫（DIW）技術(shù)制造了一種纖維狀柔性電容式應(yīng)變傳感器（FSFCSS）。通過這項(xiàng)技術(shù)，研究人員在熱塑性聚氨酯（TPU）管纖維表面印刷平行的螺旋銀（Ag）電極，并用高介電材料BaTiO?@Ecoflex（BTO@Ecoflex）封裝，賦予了FSFCSS優(yōu)異的雙模傳感性能。FSFCSS可以感知雙模應(yīng)變，即軸向拉伸應(yīng)變和徑向膨脹應(yīng)變。FSFCSS與便攜式數(shù)據(jù)采集電路板相結(jié)合，可用于在穿戴式無線傳感系統(tǒng)中采集生理信號(hào)和人機(jī)交互。

此外，研究人員還展示了一種概念性的植入式無線血液動(dòng)力學(xué)傳感器。相關(guān)研究成果以“A dual-mode fiber-shaped flexible capacitive strain sensor fabricated by direct ink writing technology for wearable and implantable health monitoring applications”為題發(fā)表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

FSFCSS具有三層結(jié)構(gòu)，即彈性TPU纖維、平行螺旋Ag電極和BTO@Ecoflex封裝層。制備過程如下：首先通過等離子體和表面活性劑對(duì)TPU纖維進(jìn)行處理以獲得親水表面，使用固定在同步電機(jī)上的JTO夾具來固定TPU纖維并為其提供旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，氣動(dòng)噴嘴以線性運(yùn)動(dòng)將Ag油墨印刷到TPU纖維的表面，噴嘴的油墨擠出速度由氣動(dòng)閥獨(dú)立控制。通過DIW打印技術(shù)制備的FSFCSS表現(xiàn)出優(yōu)異的拉伸和導(dǎo)電性能。除了纖維結(jié)構(gòu)和定制其結(jié)構(gòu)參數(shù)的能力外，SFSCSS還適合用作穿戴式和植入式應(yīng)用的電容式應(yīng)變傳感器。

FSFCSS的制備與表征

FSFCSS作為一種電容式傳感器，可以有兩種工作模式，即軸向拉伸應(yīng)變傳感模式和徑向膨脹應(yīng)變傳感模式。對(duì)于軸向拉伸應(yīng)變傳感模式，F(xiàn)SFCSS表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，包括寬檢測(cè)范圍（178%）、優(yōu)異的靈敏度（0.924）、低檢測(cè)限（0.6%）、快速響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間（117和156?ms）、低遲滯系數(shù)（1.44%）和優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性。對(duì)于徑向膨脹應(yīng)變傳感模式，F(xiàn)SFCSS表現(xiàn)出對(duì)動(dòng)態(tài)和脈沖壓力變化的良好響應(yīng)，具有0.00086?mmHg?1的高靈敏度。

FSFCSS的工作機(jī)制

為了評(píng)估FSFCSS的實(shí)際性能，研究人員使用3M醫(yī)用膠帶將FSFCSS固定在人體各部位的皮膚表面，包括腹部、胸部、手腕、喉嚨、膝蓋和手指。下圖為FSFCSS應(yīng)用于人體不同部位的電容響應(yīng)曲線，表明FSFCSS可以清晰地捕捉聲音、呼吸、心率、脈搏等生理信號(hào)。由于FSFCSS的超高靈敏度，記錄的電容響應(yīng)曲線包含了豐富的生理信息。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，利用FSFCSS對(duì)人體生理健康信號(hào)進(jìn)行持續(xù)實(shí)時(shí)采集和分析，有助于呼吸系統(tǒng)和心血管疾病的預(yù)防和診斷，以及語音交互應(yīng)用的發(fā)展。

FSFCSS在穿戴式健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

此外，研究人員通過將FSFCSS與印刷單螺旋射頻（RF）線圈連接，開發(fā)了一種無線血液動(dòng)力學(xué)傳感器，并證明了該傳感器用于植入式血液動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)的可行性。

FSFCSS在血液動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

總而言之，研究人員使用高精度DIW打印裝置成功地在TPU纖維襯底上制造了雙模FSFCSS。全面分析了傳感器在軸向拉伸應(yīng)變傳感和徑向膨脹應(yīng)變傳感模式下的工作機(jī)理。研究人員從監(jiān)測(cè)人體生理信號(hào)、實(shí)時(shí)采集人體姿勢(shì)信息、人機(jī)交互應(yīng)用等幾個(gè)角度探討了FSFCSS在穿戴式健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。為了測(cè)量血壓和心率，F(xiàn)SFCSS與印刷RF線圈串聯(lián)，以制造無線血液動(dòng)力學(xué)傳感器。這項(xiàng)工作不僅介紹了一種制造纖維狀電容式應(yīng)變傳感器的新方法，而且有助于穿戴式和植入式健康監(jiān)測(cè)的研究和發(fā)展。

審核編輯：劉清