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

[Fundamental Research] 受鲨鱼鳃启发的可拉伸自驱动分级呼吸传感器

呼吸系统疾病是一种常见病、多发病,随着全球人口老龄化和大气污染的加剧,各种呼吸系统疾病的患病率不断上升。通过呼吸传感器对人体的呼吸状态进行检测,可以获取呼吸频率、呼吸深度等重要的生理信息,直接或间接反映人体的生理健康状况,为慢性阻塞性肺部疾病、囊性纤维化引起的呼吸功能障碍等呼吸系统疾病的预测和诊断提供关键信息。

目前临床用于呼吸检测的医疗设备虽然具有较高的准确性和稳定性,但因其操作复杂、便携性差、功耗高等问题,对于需要长期连续呼吸监测的慢性呼吸系统疾病风险人群的适用性较差。因此,需要开发一种低功耗、便携、可穿戴、监测准确度高的呼吸传感系统。纳米发电机无需外部电源,可以将人体的呼吸运动或气流直接转换为电信号,用于人体的呼吸监测。然而,目前基于纳米发电机构建的呼吸传感器通常会存在:传感器件与人体组织模量不匹配,监测时易受到来自身体其他部位运动干扰,以及长期监测下的稳定性等问题。针对以上问题,北京纳米能源与系统研究所李舟研究员团队提出了一种仿鲨鱼鳃的可拉伸分级多通道自驱动呼吸传感器,实现了与人体组织模量的有效匹配,具有良好呼吸监测准确性和稳定性的同时兼具一定的抗干扰能力。

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1. 鲨鱼呼吸时的鳃部运动(图片来自网络)

鲨鱼在呼吸时会伴随着鳃裂结构有节律的收缩和舒张,在鳃部肌肉的协调控制下,几对鳃裂的开合与关闭同步进行(图1)。受到鲨鱼鳃裂结构的启发,基于多层有机硅弹性体,一种可以将横向形变转换为纵向形变的弹性变形结构被设计出,基于该结构成功构建了柔性可拉伸的多通道复合式纳米发电机。平行排列的条状发电单元模仿了鲨鱼的鳃裂结构,条带底部的PDMS层类似于鳃弓软骨,起支撑条带结构的作用,中间的PVDF层相当于鳃丝,是进行电能转化的核心部件,基底层的银纳米线区域如同鳃囊,是器件进行电能转化的主要区域。条状发电单元两侧的硅胶如同鳃部肌肉,将这些条带与整个支撑基底层有效地连接在一起。这种仿鲨鱼鳃结构的纳米发电机受到来自横向(长轴方向)的机械牵拉时,会自发转换为纵向的弹性形变,从而驱动相应的发电单元工作并产生电信号输出(图2


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2. 仿鲨鱼鳃纳米发电机的结构和仿生原理

通过对结构进一步优化,成功构建了可以对不同拉伸应变程度逐级响应的柔性多通道仿鲨鱼鳃呼吸传感器(Bionic shark gill structure-respiratorysensorBSG-RS)。BSG-RS具有良好的柔性,可拉伸性,和抗疲劳性,同时对不同程度的拉伸应变具有分级的电学响应特性,在用于人体呼吸运动传感时可以同时检测呼吸速率和呼吸深度。基于BSG-RS还开发了一套可穿戴的无线实时呼吸监测与分析系统(图3),可以实时监测人体在多种体态以及不同呼吸方式下的呼吸运动,通过软件对多个通道采集到的呼吸波形信号处理分析,结合模式识别算法,可以实现对不同呼吸状态的有效识别。这种基于BSG-RS的呼吸传感系统具有与人体组织模量相匹配的核心工作部件,同时多个通道的设计使其具有一定的抗干扰能力,在长期测试下的具有良好的稳定性和耐久性,在未来有望应用于移动式、家居式的医疗健康监测与辅助诊断。

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3. 基于BSG-RS的无线实时呼吸监测与分析系统

相关成果以“Stretchable graded multichannel self-powered respiratory sensor inspiredby shark gill”为题近日发表于由国家自然科学基金委员会主办的高起点、高水平综合期刊Fundamental Research。论文的第一作者是北京理工大学博士后邹洋和广西大学博士盖延松,通讯作者是北京理工大学邓玉林教授和北京纳米能源与系统研究所李舟研究员

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