新型无线传感器:可贴在皮肤上监测人体健康状况

导读

据美国斯坦福大学官网近日报道,该校研究人员开发出一种实验性的贴纸,它可以采集来自皮肤的生理信号,然后将这些健康读数无线发送至夹在衣服上的接收器。

背景

我们倾向于将皮肤的保护功能认为是理所当然的,而忽略了它在发送微弱信号方面(例如紧张时的心跳或者尴尬时的红晕)所扮演的其他角色。

创新

近日,美国斯坦福大学的工程师们开发出一种方法来检测从皮肤而来的生理信号。这种方法采用了一种传感器,它可以像创可贴一样贴在身上,无线发送读数至夹在衣服上的接收器。

新型无线传感器:可贴在皮肤上监测人体健康状况

为了演示这项可穿戴技术,研究人员将传感器贴在一个测试对象的手腕和腹部,通过检测每次心跳或者呼吸过程中他们的皮肤如何拉伸与收缩,来监测个人的脉搏与呼吸。同样,通过测量每次相应的肌肉活动时皮肤微小的收紧或者放松,个人手肘与膝盖上的贴纸可以追踪手臂和腿部的运动。

美国斯坦福大学化学工程系教授鲍哲南(Zhenan Bao)的实验室在一篇于8月15日发表在《自然·电子学(Nature Electronics)》期刊上的论文中描述了这个系统,认为这项他们称为“身体网(BodyNet)”的可穿戴技术,将首先应用于医疗环境中,例如监测睡眠障碍或心脏病病人。她的实验室已经在尝试开发新型贴纸,来感知汗液以及其他分泌物,从而追踪体温以及压力等变量。她的最终目标就是创造一个贴在皮肤上并与智能服装一起工作的无线传感器阵列,从而比消费者现今使用的智能手机或者手表更加精准地追踪各种各样的健康指标。

鲍教授表示:“我们认为,有朝一日,我们将可能会创造出全身的皮肤传感器阵列,在不影响一个人正常行为的情况下采集生理数据。”

技术

博士后学者 Simiao Niu 和 Naoji Matsuhisa 领导了14个人的团队,花费三年时间设计这种传感器。他们的目标就是开发一项可舒适穿戴、不含电池或者其他刚性电路的技术,防止贴纸影响皮肤拉伸和收缩。

他们最终的设计通过一种类似RFID(射频识别)的技术来满足这些参数。RFID技术,通常用于控制无钥匙地进入上锁房间。当一个人手持身份证来到RFID接收器前,身份证中的天线从接收器中获取少量RFID能量,并用这个能量生成一个代码,然后发回给接收器。

新型无线传感器:可贴在皮肤上监测人体健康状况

BodyNet 贴纸有点类似身份证:其天线吸收衣服上的接收器发射的少量RFID能量为传感器供电。然后,传感器从皮肤获得读数,再发射回附近的接收器。

为了让无线贴正常工作,研究人员必须创造一个可拉伸并像皮肤一样弯曲的天线。他们通过在橡胶贴纸上丝网印刷金属油墨来做到这一点。然而,无论何时天线弯曲或者拉伸,这些运动都会使其信号太微弱或者不稳定,以至于无法使用。

新型无线传感器:可贴在皮肤上监测人体健康状况

为了解决这个问题,斯坦福大学的研究人员开发了一种新型RFID系统,它可以发送强烈且准确的信号给接收器,尽管持续波动。然后,这种电池供电的接收器采用蓝牙来周期性地从贴纸向智能手机、电脑或者其他永久存储系统上传数据。

贴纸的初始版本依赖于微型运动传感器来记录呼吸和脉搏读数。研究人员正在研究如何将汗液、温度和其他传感器集成到他们的天线系统中。

为了让他们的技术超越临床应用并进入消费者友好的装置,研究人员需要克服另外一项挑战,让传感器和接收器相互靠近。在他们的实验中,研究人员将接收器夹在位于每个传感器上方的衣服上。传感器与接收器的一对一配对,在医疗监测方面会有很好的效果,但是创造一个可在锻炼时穿在身上的 BodyNet,天线必须编织到衣服中以接收和传输信号,无论传感器被贴在哪里。

关键字

柔性电子、传感器、RFID、可穿戴技术

参考资料

【1】Simiao Niu, Naoji Matsuhisa, Levent Beker, Jinxing Li, Sihong Wang, Jiechen Wang, Yuanwen Jiang, Xuzhou Yan, Youngjun Yun, William Burnett, Ada S. Y. Poon, Jeffery B.-H. Tok, Xiaodong Chen, Zhenan Bao. A wireless body area sensor network based on stretchable passive tags. Nature Electronics, 2019; DOI: 10.1038/s41928-019-0286-2

【2】https://news.stanford.edu/2019/08/16/wireless-sensors-stick-skin-track-health/

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