Nanoenergy and Biosystem Lab
Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems, Chinese Academy of Sciences

【科技导报】自驱动传感器发展推动智能医疗产品不断革新

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 无论是人们耳熟能详的电话手表、智能手环,还是广泛用于临床的人工心脏起搏器、电子皮肤,近年来,可穿戴和植入式电子器件越来越走进人们的生活。传感器作为电子器件与周围环境和用户之间的桥梁,是可穿戴和植入式电子器件的核心部件,决定着电子器件众多功能的实现。近日,李舟等研究人员在《Research》上的综述“Nanogenerator-Based Self-Powered Sensors for Wearable and Implantable Electronics”一文对基于纳米发电机的自驱动传感器及其在可穿戴和植入式电子器件领域中的应用进行了详细论述。

目前大多数传感器仍需要电池等外部电源供电。大体积与高重量的电池降低了传感器在实际使用过程中的便携性。为了解决这一问题,人们发明了各种各样无需电池供电的自驱动传感器。

这些基于纳米发电机的自驱动传感器可以将环境中任何形式的能量直接转换为电能并将电信号与各种监测信息建立对应关系。自驱动传感器具有环保、轻便、成本低、寿命长等特点在近几年受到了科研工作者的广泛关注。

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自驱动传感器的能量来源及可感知的生理信号

灵敏度、响应时间、便携性等是研究的焦点
随着移动互联网和智能终端的快速发展,智能传感技术在人机交互、人工智能和可穿戴、植入式设备等领域内的需求越来越多。器件的灵敏度、响应时间、柔性、便携性、生物相容性和多功能集成等已经成为传感器在实际应用中研究的焦点。基于此,我国科研工作者对自驱动传感器进一步探究与优化,并取得了一系列重要研究成果。

苏州大学功能纳米与软物质研究院(FUNSOM)孙旭辉教授研究团队提出了一种基于褶皱状可拉伸TENG的自驱动触觉及人体运动监测传感器。


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自驱动传感器作为可穿戴电子器件用于触觉和压力传感

该传感器具有高灵敏度,不仅可以记录对象的触摸位置或与传感器接触的物体的形状,还可以记录简单的人体运动(如肌肉的起伏)或者判断关节弯曲的频率和角度。
厦门大学薛昊副教授研究团队将开发的微结构框架有机热释电器件用作自驱动柔性温度-压力传感器。


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自驱动传感器作为可穿戴电子器件用于温度和压力传感

该传感器具有较好的温度灵敏度(小于0.1 K)和压力灵敏度(超过20 KPa -1)。该器件不仅可以用于机器人和健康监测领域,也可以用于人体呼吸和温度传感。
北京纳米能源与系统研究所王中林院士和李舟研究员领导的研究团队与北京市生物医学工程高精尖中心樊瑜波教授研究团队联合研制了一种仿电鳗的柔性可拉伸发电机,并将其用于运动传感。


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自驱动传感器作为可穿戴电子器件用于运动传感

器件具有出色的柔韧性、可拉伸性、机械响应性和高输出性能等优势,可以同步记录不同泳姿下的运动信号和水下工作者的运动状态。因此,该器件不仅可以用于泳姿的矫正和针对性训练,也可以对水下工作起到预警作用。
东北大学薛欣宇教授课题组基于PANI/PVDF压电传感阵列,构建出自驱动呼气分析传感器。


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自驱动传感器作为可穿戴电子器件用于物质检测

该器件可用于对呼气成分进行实时、便携、稳定、无源检测和分析。这一研究提出了新型自驱动呼气分析传感器的概念,并进一步推动了自驱动系统的发展。
基于纳米发电机的传感器不仅可以作为可穿戴电子器件用于触觉传感、张力传感、运动传感、物质检测等,也可用作植入式电子器件监测血压、呼吸、脉搏等。
随着研究的不断深入,并且根据临床监测心内压的实际需求,李舟研究员与其合作者首次研制出能够实时监测心内压的自驱动心内压传感器。


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自驱动传感器作为植入式电子器件用于监测心内压

器件具有高输出和超灵敏度,通过微创手术植入心腔后实现了对心内压的监测。而且,器件也能实时监测手术中的偶发心律失常事件,如早搏、室颤等。该研究具有向医疗器件发展的重要潜力,为微型植入式自驱动医疗传感器件的研究提供了新的思路。
此外,北京纳米能源与系统研究所、北京市生物医学工程高精尖创新中心和海军军医大学的科研人员三方合作,研制了共生型心脏起搏器


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自驱动传感器作为植入式电子器件用于监测心率

该起搏器可将心跳的能量收集起来驱动起搏电路发出脉冲,这些脉冲同时又刺激心脏,使出现异常情况的心脏恢复正常。同时,该起搏器也可以成功感知并纠正窦性心律失常,从而防止病情恶化。该器件实现了起搏器与心脏之间的“共生”状态,有望在疾病的治疗和诊断领域得到应用。
发展过程中仍有一些问题亟待解决
目前自驱动传感器已经实现了触觉、压力、运动、温度等物理指标和心率、血压、血流速度等生理指标的实时检测。然而,在自驱动传感器的发展过程中仍有一些问题亟待解决。
首先,为了使器件能更好地与人体各部位相匹配或长久稳定地在人体内工作,需要开发新型材料来制备具有轻质、柔性、输出性能好等特点的自驱动传感器。而且,植入式电子器件的生物相容性对其在体内稳定且高效的工作至关重要。
其次,液体环境会屏蔽发电机产生的电荷,因此需要采用软封装技术来维持发电机的稳定工作。此外,应立即建立对自驱动传感器的评估系统。评估指标应该包括稳定性、灵敏度、重量、尺寸和实用潜力等。
另外,应该进一步优化发电机的结构以减少封装或植入后的输出衰减。最后,传感器通常可以同时感知不同的信息,所以需要对传感器信号进行提取和分析,进而提高传感器的灵敏度及精度。
作为可穿戴和植入式电子器件,自驱动传感器将会被广泛应用于生物医学、微机电系统、机器人技术和智能电子皮肤等诸多领域。植入式自驱动传感器将在肠道、胃、脾、肝、肺等人体器官的生理信息采集和疾病监测方面发挥作用。用于眼泪、汗液、尿液等物质浓度和组分检测的可穿戴传感器对人类的生命健康也至关重要。此外,自驱动传感器还可以实现可穿戴和植入式电子器件的无线信号传输。
作为新兴研究领域,自驱动传感器的发展将会趋向于可持续、柔性、高效、低成本和环境友好型。自驱动传感器将促进传感网络、物联网、以及智能医疗电子产品的不断革新。更重要的是,该领域的快速发展将促进材料、能源、化学、自动化、机电一体化和信息科学等多学科的交叉和融合。



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