人體監(jiān)測(cè)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-07-27
人體監(jiān)測(cè)的實(shí)例教程
當(dāng)集成到診斷設(shè)備中時(shí)，它可以快速、便宜、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)健康狀況。這種新設(shè)備的設(shè)計(jì)比現(xiàn)有的傳感器要簡(jiǎn)單得多，為細(xì)胞水平的健康監(jiān)測(cè)提供了廣泛的新可能性。
目前，研究中采用的那些半導(dǎo)電塑料，正用于太陽(yáng)能電池和柔性電子的開(kāi)發(fā)，但是尚未廣泛應(yīng)用于生物領(lǐng)域。
劍橋大學(xué)化學(xué)工程與生物技術(shù)系博士后研究員、論文領(lǐng)導(dǎo)作者 Anna-Maria Pappa 博士表示：“在研究中，我們已經(jīng)突破了用酶作為傳感材料的傳統(tǒng)電化學(xué)傳感器的許多局限。在傳統(tǒng)生物傳感器中，傳感器電極與傳感材料之間的通信并不是很高效，所以有必要添加分子導(dǎo)線來(lái)‘增強(qiáng)’信號(hào)。”
為了開(kāi)發(fā)他們的傳感器，Pappa 和她的同事們采用帝國(guó)理工大學(xué)新合成的聚合物作為分子導(dǎo)線，直接接收電化學(xué)反應(yīng)期間產(chǎn)生的電子。當(dāng)材料與汗液、淚液、血液產(chǎn)生接觸時(shí)，它會(huì)吸收離子并產(chǎn)生溶脹 ，變得與液體融合在一起。相比于由金屬電極制成的傳統(tǒng)傳感器，其靈敏度明顯高很多。
此外，當(dāng)傳感器合結(jié)合更復(fù)雜的電路例如晶體管時(shí)，信號(hào)會(huì)被放大并對(duì)于代謝物濃度的微小波動(dòng)作出響應(yīng)，盡管設(shè)備的尺寸可以做得很小。
傳感器的初始測(cè)試是用于測(cè)量乳酸水平，這對(duì)于健康應(yīng)用或者病人的術(shù)后監(jiān)測(cè)很有用。然而，研究人員稱，傳感器可以經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單修改，包含適當(dāng)?shù)拿福瑏?lái)檢測(cè)其他代謝產(chǎn)物，例如葡萄糖或者膽固醇。而且，傳感器檢測(cè)的濃度范圍可通過(guò)改變?cè)O(shè)備的幾何形狀來(lái)調(diào)整。
價(jià)值
Pappa 表示：“這是首次采用一種接收電子的聚合物，它可以經(jīng)過(guò)調(diào)整用于改善酶之間的通信，從而直接監(jiān)測(cè)代謝物。在這之前，此類監(jiān)測(cè)都無(wú)法直接完成。它為生物傳感領(lǐng)域開(kāi)辟了新的方向，材料可以經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)與特定的代謝物相互作用，帶來(lái)敏感度和選擇性都好很多的傳感器。”
因?yàn)閭鞲衅鞑⒉皇怯山鸹蜚K之類的金屬組成，所以它的制造成本相對(duì)較低，并且很容易與可拉伸的柔性基底結(jié)合到一起，從而實(shí)現(xiàn)可穿戴或者植入式的傳感應(yīng)用。
展開(kāi) 【專業(yè)背景】
如今，可穿戴柔性電子設(shè)備（WFE）為物理和化學(xué)監(jiān)測(cè)提供了一種有效的方法，例如檢測(cè)人類活動(dòng)和人類汗液。但是，由于目前報(bào)道的大多數(shù)柔性傳感器僅專注于監(jiān)測(cè)身體活動(dòng)，因此有必要開(kāi)發(fā)出可以捕獲人體各種數(shù)據(jù)以獲取更深入的健康信息的靈活設(shè)備。人體汗液是一種重要且易于獲取的體液，其中含有大量化學(xué)物質(zhì)，可以反映個(gè)人的生理狀態(tài)。因此，可穿戴汗液傳感器的發(fā)展為生理和生物醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)應(yīng)用打開(kāi)了大門。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)具有鹽響應(yīng)的形狀記憶水凝膠傳感器。
形狀記憶水凝膠（SMH）是一類智能材料，能夠在熱，光，電，磁，溶劑和化學(xué)環(huán)境等近似刺激下從編程的臨時(shí)形狀恢復(fù)其原始形狀。精心設(shè)計(jì)以顯示雙重，三重和多重SME。雙重SME可以在兩種形狀之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而三重和多重SME可以在三種或更多形狀之間實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的形狀轉(zhuǎn)換行為，從而賦予傳感器更易訪問(wèn)的特性。由于基于SMH的傳感器直接在人體上使用，因此采用溫和且生物環(huán)境友好的刺激來(lái)激活SME應(yīng)該是先決條件，在這種情況下，鹽介導(dǎo)的SMH可以很好地滿足傳感器的這一要求。
聚兩性電解質(zhì)水凝膠可以響應(yīng)鹽溶液的刺激。在多兩性離子水凝膠中，帶正電和帶負(fù)電的基團(tuán)同時(shí)位于分子鏈上。因此，水凝膠中帶相反電荷的基團(tuán)之間存在靜電相互作用，導(dǎo)致可逆的物理交聯(lián)形成。鹽溶液可以通過(guò)分別與帶正電荷和帶負(fù)電荷的基團(tuán)結(jié)合的鹽離子來(lái)破壞這些靜電相互作用。因此，聚兩性電解質(zhì)水凝膠具有許多出色的功能，例如可拉伸性，自愈性，自粘和導(dǎo)電性以及SME。
【科研摘要】
由多功能水凝膠制成的WFE提供了一種監(jiān)控人類健康方法。最近，西南交通大學(xué)周紹兵教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和制造了一種具有鹽介導(dǎo)的三重SME，離子電導(dǎo)率（0.24–3.06 S m-1），高拉伸性（高達(dá)1500％）和自愈特性（高達(dá)70％）的超分子聚兩性水凝膠。可用作形狀記憶傳感器和應(yīng)變傳感器。
展開(kāi) 圖3 光纖在人體活動(dòng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
從圖3可以看出，集成有這種具有核-包層結(jié)構(gòu)的熱塑性彈性體光纖的電子器件能夠?qū)?em>人體運(yùn)動(dòng)及壓力進(jìn)行靈敏、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)。
來(lái)源：高分子科學(xué)前沿
這種智能創(chuàng)可貼不僅可以用于接觸感知（即可以作為可穿戴應(yīng)變傳感器檢測(cè)各種幅度的人體活動(dòng)），也可用于非接觸式感應(yīng)（圖 2）。由于智能創(chuàng)可貼具有高度的靈活性和優(yōu)良的便捷性，可以在不影響正常人體活動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)人體活動(dòng)的監(jiān)測(cè)和識(shí)別。尤其是，這種智能創(chuàng)可貼具有高靈敏的性能和超智能的特性，可以檢測(cè)一般應(yīng)變傳感器難以檢測(cè)的人體脈搏和呼吸等功能信號(hào)。因此，這項(xiàng)研究成果在監(jiān)測(cè)人體健康狀況方面具有巨大的應(yīng)用潛力。
圖2. 利用智能創(chuàng)可貼感應(yīng)人體活動(dòng)的圖示。
這種智能創(chuàng)可貼還具有手勢(shì)識(shí)別功能，在虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互活動(dòng)中顯示出創(chuàng)新性的應(yīng)用場(chǎng)景。研究人員可以利用智能創(chuàng)可貼隨意遙控玩具車的運(yùn)動(dòng)，展示了利用智能創(chuàng)可貼實(shí)現(xiàn)手勢(shì)智能遙控機(jī)械設(shè)備的新型應(yīng)用前景。尤其是，這種智能器件還可以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)傷患者恢復(fù)健康的全新的智能手段，對(duì)未來(lái)便攜式智能醫(yī)療產(chǎn)品的研發(fā)推廣具有令人振奮的廣闊的發(fā)展前景。
圖5. 將智能創(chuàng)可貼用于人機(jī)交互的圖示。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106840
展開(kāi) 來(lái)源 | Nano Energy
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背景介紹
戶外活動(dòng)對(duì)人體健康至關(guān)重要，給人類的身心帶來(lái)諸多益處。一般來(lái)說(shuō)，戶外運(yùn)動(dòng)愛(ài)好者在進(jìn)行長(zhǎng)期徒步旅行或其他體育活動(dòng)時(shí)需要注意各種天氣問(wèn)題(如雪、雨和風(fēng))。極端天氣條件很容易導(dǎo)致身體不適，體溫下降等問(wèn)題。由于大多數(shù)電子可穿戴設(shè)備是由傳統(tǒng)電池供電的，它們不具有可持續(xù)性，并且不方便在戶外充電/維護(hù)。開(kāi)發(fā)具有自供電傳感器的戶外可穿戴設(shè)備對(duì)于解決廢棄電池的不可持續(xù)性和潛在的環(huán)境污染問(wèn)題非常重要。
在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)將周圍隨機(jī)、無(wú)序、低頻的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，被認(rèn)為是解決能源供應(yīng)問(wèn)題的極具前景的技術(shù)一些極端情況或環(huán)境中的問(wèn)題。在TENG的輔助下，自供電的戶外可穿戴監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)并易于使用，這對(duì)于戶外愛(ài)好者從事長(zhǎng)期徒步旅行或體育活動(dòng)是非常必要的。在過(guò)去的幾年里，科學(xué)家們一直在努力提高TENG的輸出性能。
在已報(bào)道的可穿戴式TENG中，紡織式TENG可方便地用于人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和供電，其靈活性、適用性、透氣性、可負(fù)擔(dān)性和可規(guī)模化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。戶外服裝可以保護(hù)人體抵御寒風(fēng)，但它們的重量和厚度通常會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間戶外活動(dòng)不舒服。因此，在降低功能性戶外服裝的重量/厚度的同時(shí)，提高其保溫性能是十分重要的。到目前為止，關(guān)于這一點(diǎn)的功能性戶外服裝的研究還很缺乏，特別是結(jié)合紡織品TENG的具有能量收集能力和交互性應(yīng)用的智能戶外服裝。
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人體監(jiān)測(cè)的最新內(nèi)容
此外，利用TI-TENG作為自供電可穿戴傳感器和人機(jī)交互界面，開(kāi)發(fā)了一種智能人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和戶外無(wú)線信號(hào)傳輸系統(tǒng)，可在戶外活動(dòng)中一鍵呼叫緊急救援。TI-Textile的大規(guī)模生產(chǎn)也為TENG提供了巨大的商業(yè)潛力，為多功能可穿戴設(shè)備的自供電傳感、能量收集和人機(jī)交互提供了新的研究方向。
3.生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域
在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，數(shù)字pH傳感器可用于監(jiān)測(cè)人體內(nèi)環(huán)境的酸堿平衡。通過(guò)對(duì)血液、尿液等生物樣品的pH值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)酸堿平衡紊亂的情況，為臨床診斷和治療提供有力支持。
三、數(shù)字pH傳感器的發(fā)展趨勢(shì)
隨著科技的不斷發(fā)展，數(shù)字pH傳感器也在不斷升級(jí)和完善。
使得天線的回波損耗從-22.2dB降低到了-28.8dB；岳佳欣等[11]采用NDEF交換協(xié)議實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)NFC設(shè)備之間的消息直接交換，并利用藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離傳輸；章娟等[12]采用HFSS軟件對(duì)天線進(jìn)行建模、仿真、分析，設(shè)計(jì)天線線圈串聯(lián)匹配電路，有效降低了天線的回波損耗，增加了有效帶寬，提高了天線的傳輸效率；Ali S M 等[13]基于NFC研發(fā)了一款皮膚水分檢測(cè)系統(tǒng)，特點(diǎn)是采用了無(wú)電池的傳感器，并能智能監(jiān)測(cè)人體不同時(shí)間段內(nèi)水分含量并給出相應(yīng)的分析
此外，NPCM在運(yùn)動(dòng)和人體健康監(jiān)測(cè)方面也有應(yīng)用前景。受天然織物結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，Tang團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種柔性NPCM薄膜，該薄膜將碳化棉布作為導(dǎo)電支撐支架，PW作為熱調(diào)節(jié)組件，用于運(yùn)動(dòng)感應(yīng)。因此，導(dǎo)電NPCM表現(xiàn)出溫度調(diào)節(jié)和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)特性(圖16e)。
此外，NPCM在運(yùn)動(dòng)和人體健康監(jiān)測(cè)方面也有應(yīng)用前景。受天然織物結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，Tang團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種柔性NPCM薄膜，該薄膜將碳化棉布作為導(dǎo)電支撐支架，PW作為熱調(diào)節(jié)組件，用于運(yùn)動(dòng)感應(yīng)。因此，導(dǎo)電NPCM表現(xiàn)出溫度調(diào)節(jié)和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)特性(圖16e)。
本研究設(shè)計(jì)了一種新型一維紗線基汗液激發(fā)電池（SAB），它可作為生物相容性好、可靠性佳的電源整合到電子織物中，在自供能人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和醫(yī)療保健領(lǐng)域具有極大應(yīng)用潛力。西南大學(xué)材料與能源學(xué)院魯志松教授與喬琰副教授為共同通訊作者，2019級(jí)博士生肖剛和2019級(jí)碩士生巨俊為本文的共同第一作者。
由于智能創(chuàng)可貼具有高度的靈活性和優(yōu)良的便捷性，可以在不影響正常人體活動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)人體活動(dòng)的監(jiān)測(cè)和識(shí)別。尤其是，這種智能創(chuàng)可貼具有高靈敏的性能和超智能的特性，可以檢測(cè)一般應(yīng)變傳感器難以檢測(cè)的人體脈搏和呼吸等功能信號(hào)。因此，這項(xiàng)研究成果在監(jiān)測(cè)人體健康狀況方面具有巨大的應(yīng)用潛力。
圖2.
近來(lái)，中科院納米能源所蒲雄研究員和王中林院士課題組設(shè)計(jì)并制備了基于水凝膠-介電聚合物間動(dòng)態(tài)界面的發(fā)電器件，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械-電能的轉(zhuǎn)換，并基于此構(gòu)建了用于監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的自驅(qū)動(dòng)柔性力敏傳感器。
而關(guān)鍵的挑戰(zhàn)則是在回收和重塑后，是否能有效恢復(fù)力學(xué)和電學(xué)性能，一個(gè)合理的設(shè)計(jì)是引入動(dòng)態(tài)鍵，使大分子網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)在特定條件下可以重構(gòu)，對(duì)于此，他們通過(guò)可食用面團(tuán)作為生物相容且取材于天然的離子導(dǎo)體，初步實(shí)現(xiàn)了這一理念，經(jīng)過(guò)回收重構(gòu)的材料，依然可以像傳統(tǒng)的仿生皮膚一樣監(jiān)測(cè)人體的運(yùn)動(dòng)。
圖7.
同時(shí)，實(shí)時(shí)且連續(xù)的皮膚溫度監(jiān)測(cè)對(duì)于預(yù)測(cè)人體和熱環(huán)境的認(rèn)知狀態(tài)以及疾病的早期診斷至關(guān)重要。一般來(lái)說(shuō)，為了滿足全人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和實(shí)時(shí)溫度變化監(jiān)測(cè)的基本要求，傳感器不僅要具備寬廣的響應(yīng)范圍和全工作范圍內(nèi)的高靈敏度，還必須具備較高的電阻溫度系數(shù)和溫度分辨力。
