让传感器成为人类健康状态“监察员”

　　柔性可穿戴电子由于具有较大的机械灵活性，能够在一定程度上适应不同的工作环境，满足人体对于设备的形变要求，可应用在人类生活的许多方面。智能手表、智能手环、电子皮肤等设备的出现更是让柔性可穿戴技术受到广泛关注。有分析指出，至2028年，全球柔性电子市场有望达到3010亿美元。

　　柔性可穿戴技术在医学领域的应用价值更为广泛，如体温监测仪、连续血糖监测设备、心电检测设备等。其中，用于检测人体信息的人体传感器发挥着重要作用。

　　近日，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称深圳先进院）医工所微创中心研究员王磊团队成功制备出一种基于ZnO纳米棒结构的新型柔性织物基底压电压力传感器，相关成果发表于《纳米研究》。

　　研究团队将纤锌矿晶体结构的ZnO纳米棒涂在纱线上，与PVDF膜结合作为织物基底赋予传感器压电效应。“实验证明，传感器在0~2.5kPa压力范围内的灵敏度为0.62V/kPa，开路电压高达11.47V电传感器。”王磊表示。

　　以纤维材料作为织物基底的人体传感器，能让医学可穿戴设备更具透气性、透汗性等功能，更加贴合人体皮肤。团队制备的传感器可用于实时监测人体各类运动信息，如手腕的弯曲、放松运动，和每个手指的弯曲、拉伸运动，在监测人体健康状态方面具有潜在应用价值。

　　人体信息的“监察员” 

　　作为医学柔性电子部件，人体传感器就像人体信息的“监察员”，起着检测信息的重要作用，其中包括为电生理传感器、生化传感器，以及检测运动信息的人体传感器、仿生传感器、多参数传感器等。

　　不同类型的人体传感器通过感知血压、心率、呼吸、体温等人体内的各项功能信息，将其按一定规律变转换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，帮助评估人体健康状态。2008年，深圳先进院组建医学微系统实验室，针对医学柔性电子前沿领域重点与难题进行研究。

　　以检测人体运动信息的传感器为例，通过检测人体内的各项功能指标，帮助评估人体健康状态。“就像中风患者，通过检测人体运动信息的人体传感器可以检测出病人在康复过程中，其运动机能的变化，通过一系列的指标评判病人的恢复情况。”王磊说。

　　柔性可穿戴设备在帮助人们健康管理、提升生活质量的同时，也存在着个人信息泄露、安全隐患等问题。而人体传感器同样可能存在数据安全隐患，数据误差可能造成设备对人体健康状态的误判，对此，王磊团队自主设计了一套人体通讯系统，用于保证人体传感器网络的安全性，提高传感器收集信息的能效。

　　紧跟前沿 双向转化 

　　当前，随着柔性电子、仿生材料、AI、5G等技术的发展， 医学领域的柔性电子设备如多参数集成汗液传感器、皮肤柔性可穿戴系统、电磁脑调控及血糖检测、仿生自调节助力系统等成为研究人员关注的重点。

　　深圳先进院团队利用学科交叉优势，在医学柔性电子领域实行双向转化。一方面，与学术前沿技术相结合，解决核心技术瓶颈；另一方面寻找临床应用路径，实现研究成果转移转化。

　　以连续血糖监测设备为例，目前，我国糖尿病患者人数超过1.16亿，位居全球第一，每年直接和间接用于糖尿病的花费将近1000亿元，是当前社会面临的一大重要健康问题。连续血糖监测设备可以连续监测人体内的血糖水平，帮助患者调控饮食、运动和用药的规律，国内对该研究领域鲜有布局。

　　在此前的研究中，深圳先进院医工所微创中心聂泽东、王磊团队基于人体血糖波动会引起人体自主神经变化，从而影响到心电图、脑电图等生理信号的变化，建立可穿戴生理信号与血糖波动的关联，实现一种无创的血糖波动检测，在糖尿病前期筛查、糖尿病人筛查、连续血糖监测、高低血糖预警等领域具有潜在应用价值。

　　下一步，研究团队将积极探索基于新材料的织物执行器、触觉传感器、静电驱动器等创新微器件，及相应分析方法的临床应用路径，并分析穿戴医疗设备和手术机器人产品更新换代的核心技术瓶颈。目前王磊团队已在手术机器人、呼吸机智能通气等医疗器械领域与相关企业开展合作。

　　相关论文信息：https://doi.org/10.1007/s12274-021-3322-2