简化的多功能电子皮肤——多种生理信号协同监测

研究背景

与传统的在刚性硅材料上制造的笨重的传感器相比，柔性可穿戴传感器在监测各种重要生理信号方面表现出明显的优越性，包括表皮压力/应变/振动、体温、生物电信号，如心电图(ECG)、肌电图 (EMG)、脑电图 (EEG)等。例如，可穿戴压力传感器、应变传感器、表皮生物电传感器可检测各种身体活动，这对运动训练和医疗康复具有重要意义。此外，机械传感器、湿度传感器、表皮生物电传感器等可实时监测各种重要生理信号(如呼吸速率、心率等)。尽管如上所述柔性传感器在个性化健康监测和早期疾病诊断方面具有广阔的应用前景，但绝大多数已报道的传感设备仅限于单一的传感功能(即仅用于一种目标信号的检测，如压力、应变、生物电位等)，极大地限制了其在不同应用场景中的通用性和普遍性。

近年来，为满足多种应用需求，人们开发了可用于检测多种目标信号的多功能传感设备。例如,通过结合独特的导电石墨烯海绵和蛛网状可拉伸电极，开发出了不仅能识别作用力振幅还能识别作用力方向的触觉传感器。此外，还开发了含有二维过渡金属碳化物和/或氮化物(MXene)功能填料的水凝胶传感器，可同时检测应变和温度刺激。然而，这些报道的多功能传感器大多采用复杂的制备工艺 (如光刻、等离子体等)制成、光刻、等离子体刻蚀、电子束蒸发等)，器件结构复杂(包括柔性基底、导电电极层、活性传感层等)。此外，绝大多数已开发的多功能传感器涉及复杂的材料体系 (包括表面改性、分子相互作用、化学合成等)和多种成分组成(如 MXene、碳纳米管、碳纤维等)、MXene、碳纳米管(CNT)、纳米线(ANWs)等阻碍了其大规模部署和广泛应用。因此，如何在可穿戴传感器的多功能性和简易性之间取得良好的平衡对其实际应用具有重要意义，但目前还很少有人对其进行探索和论证。

研究成果

柔性电子传感器在健康监测方面显示出巨大的潜力，但通常仅限于单一的传感功能。为了丰富其功能，通常需要复杂的器件配置、精密的材料系统和制备工艺，这阻碍了其大规模部署和广泛应用。为了在简便性和多功能性之间取得良好的平衡，四川大学吴晓东&王竹卿教授团队基于单一材料体系和简单的溶液处理方法，提出了一种同时具有机械传感和生物电传感功能的新型传感器模式。整个多功能传感器由一对高导电性超薄电极 (WPU/MXene-1) 和一个弹性微结构机械传感层(WPU/MXene-2)构成，以人体皮肤作为整个传感器的基底。该传感器具有高压力灵敏度和低皮肤电极界面阻抗的特点，可同时监测生理压力(如动脉脉搏信号)和表皮生物电信号(包括心电图和肌电图)。该方法的通用性和可扩展性也得到了验证，可用于构建不同材料系统的多功能传感器。这种简化的传感器模式具有更强的多功能性，为构建未来用于健康监测和医疗诊断的智能可穿戴设备提供了一种新颖的设计理念。相关研究以“Synergetic Monitoring of both Physiological Pressure and Epidermal Biopotential Based on a Simplified on-Skin-Printed Sensor Modality”为题发表在Small期刊上。

图文导读

Figure 1. Design concept of the multifunctional sensors for the monitoring of both physiological pressure and epidermal biopotential based on a single composite material system.

Figure 2. Preparation and working principle of the multifunctional sensors.

Figure 3. Pressure sensing properties of the mechanical sensors.

Figure 4. ECG and EMG monitoring using printed WPU/MXene-30% epidermal bioelectrodes.

Figure 5. EMG monitoring by the printed WPU/MXene-30% epidermal bioelectrodes.

Figure 6. Synergistic monitoring of both artery pulse and ECG signals using a single sensor.

总结与展望

总之，作者基于单一材料体系和简单的溶液加工方法，展示了一种新型的传感器模式，在多功能性和简易性之间实现了良好的平衡。通过合理的元件调制和微结构工程，该多功能传感器具有705.9 kPa-1的高压力灵敏度和10 kHz时3.09 kΩ的低表皮-电极界面阻抗，表现出良好的机械传感和生物电传感能力。在此基础上，可实时监测各种状态下的重要生理信号包括动脉脉搏信号和表皮生物电信号(如心电图和肌电图)。此外，作者还研究并证明了这种单一材料系统和简单的溶液处理方法在构建多功能传感器方面的通用性和普适性。期待这种简化的传感器模式和改进的多功能性能够为制造下一代可穿戴设备提供一种有前景的方法，用于生理健康检测和医疗诊断。

文献链接

Synergetic Monitoring of both Physiological Pressure and Epidermal Biopotential Based on a Simplified on-Skin-Printed Sensor Modality

https://doi.org/10.1002/smll.202303301

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