基于柔性傳感器的智能鞋墊

柔性可穿戴電子傳感器由于具有較大的機械靈活性，能夠在一定程度上適應不同的工作環(huán)境，滿足人體對于設備的形變要求，可應用于人類生活的許多方面。智能手表、智能手環(huán)、電子皮膚等設備的出現(xiàn)更是讓柔性可穿戴技術受到廣泛關注。有分析指出，至2028年，全球柔性電子市場有望達到3010億美元。

柔性可穿戴技術在醫(yī)學領域的應用價值更為廣泛，如體溫監(jiān)測儀、連續(xù)血糖監(jiān)測設備、心電檢測設備等。其中，用于檢測人體信息的人體傳感器發(fā)揮著重要作用。

近期，中國科學院深圳先進技術研究院醫(yī)工所微創(chuàng)中心研究員王磊團隊成功制備出一種基于氧化鋅(ZnO)納米棒結構的新型柔性織物基底壓電壓力傳感器。相關成果發(fā)表于《納米研究》。

研究團隊將纖鋅礦晶體結構的ZnO納米棒涂在紗線上，與PVDF膜結合作為織物基底賦予傳感器壓電效應。“實驗證明，傳感器在0~2.5kPa壓力范圍內的靈敏度為0.62V/kPa，開路電壓高達11.47V左右，具有優(yōu)越的機械穩(wěn)定性和低檢測限(8.71Pa)?！蓖趵诒硎?。

以纖維材料作為織物基底的人體傳感器，能讓醫(yī)學可穿戴設備更具透氣性、透汗性等功能，更加貼合人體皮膚。團隊制備的傳感器可用于實時監(jiān)測人體各類運動信息，如手腕的彎曲、放松運動，和每個手指的彎曲、拉伸運動，在監(jiān)測人體健康狀態(tài)方面具有潛在應用價值。

人體信息的“監(jiān)察員”

作為醫(yī)學柔性電子部件，人體傳感器就像人體信息的“監(jiān)察員”，具有檢測信息的重要作用。其中包括電生理傳感器、生化傳感器，以及檢測運動信息的人體傳感器、仿生傳感器、多參數傳感器等。

不同類型的人體傳感器通過感知血壓、心率、呼吸、體溫等人體內的各項功能信息，將其按一定規(guī)律轉換為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求，幫助評估人體健康狀態(tài)。2008年，深圳先進院組建醫(yī)學微系統(tǒng)實驗室，針對醫(yī)學柔性電子前沿領域重點與難題進行研究。

以檢測人體運動信息的傳感器為例，其通過檢測人體內的各項功能指標，幫助評估人體健康狀態(tài)?！皩τ谥酗L患者，通過檢測人體運動信息的人體傳感器可以檢測出病人在康復過程中運動機能的變化，通過一系列的指標評判病人的恢復情況?！蓖趵谡f。

柔性可穿戴設備在幫助人們進行健康管理、提升生活質量的同時，也存在著個人信息泄露、安全隱患等問題。而人體傳感器同樣可能存在數據安全隱患，數據誤差可能造成設備對人體健康狀態(tài)的誤判。對此，王磊團隊自主設計了一套人體通信系統(tǒng)，用于保證人體傳感器網絡的安全性，提高傳感器收集信息的能效。

緊跟前沿，雙向轉化

當前，隨著柔性電子、仿生材料、AI、5G等技術的發(fā)展，醫(yī)學領域的柔性電子設備，如多參數集成汗液傳感器、皮膚柔性可穿戴系統(tǒng)、電磁腦調控及血糖檢測、仿生自調節(jié)助力系統(tǒng)等成為研究人員關注的重點。

深圳先進院團隊利用學科交叉優(yōu)勢，在醫(yī)學柔性電子領域實行雙向轉化。一方面，與前沿技術相結合，突破核心技術瓶頸;另一方面尋找臨床應用路徑，實現(xiàn)研究成果轉移轉化。

以連續(xù)血糖監(jiān)測設備為例。目前，我國糖尿病患者人數超過1.16億，位居全球第一，每年直接和間接用于糖尿病的花費將近1000億元，是當前社會面臨的一大重要健康問題。連續(xù)血糖監(jiān)測設備可以連續(xù)監(jiān)測人體內的血糖水平，幫助患者調控飲食、運動和用藥的規(guī)律。然而，國內對該研究領域鮮有布局。

在此前的研究中，深圳先進院醫(yī)工所微創(chuàng)中心聶澤東、王磊團隊基于人體血糖波動會引起人體自主神經變化，從而影響到心電圖、腦電圖等生理信號的變化，建立可穿戴生理信號與血糖波動的關聯(lián)，實現(xiàn)一種無創(chuàng)的血糖波動檢測，在糖尿病前期篩查、糖尿病人篩查、連續(xù)血糖監(jiān)測、高低血糖預警等領域具有潛在應用價值。

下一步，研究團隊將探索基于新材料的織物執(zhí)行器、觸覺傳感器、靜電驅動器等創(chuàng)新微器件，及相應分析方法的臨床應用路徑，并分析可穿戴醫(yī)療設備和手術機器人產品更新?lián)Q代的核心技術瓶頸。目前，王磊團隊已在手術機器人、呼吸機智能通氣等醫(yī)療器械領域與相關企業(yè)開展合作。