利用纺织柔性压阻传感器检测表皮脉搏

据麦姆斯咨询报道，由纱线编织的具有电子传感功能的智能织物已经被用于远程医疗诊断，不过，传统智能织物的信号一致性问题仍有待解决。近日，由香港城市大学（cityu）领导的一项研究受到dna结构的启发，发现双螺旋结构织物可以帮助解决上述挑战。该团队进一步开发了一种纺织柔性压阻传感器，可用于人体脉搏监测。这种传感器响应迅速，形变后可快速恢复，并且信号稳定。该团队希望将该传感器引入不断增长的医疗保健市场。
该研究团队由香港城市大学生物医学工程系教授、可穿戴医疗材料实验室主任胡金莲教授领导。这项研究成果已在学术期刊advanced materials上发表，标题为“ultrafast-response/recovery flexible piezoresistive sensors with dna-like double helix yarns for epidermal pulse monitoring”。
双螺旋纱线结构，改善传感器信号滞后问题
“基于纺织品的传感器具有多种优势，例如柔性、可拉伸性和透气性，因此它们已被用于制造柔性压阻传感器。”胡教授说。然而，纺织传感器通常具有滞后（hysteresis）问题，因为它们在改变形状后较难快速恢复原状。此外，一般纺织传感器的信号一致性较差，因此测量结果往往不可重复，这阻碍了它们的应用。
为了解决滞后问题，传统的策略是将弹性聚合物整合到纺织品中。胡教授团队则另辟蹊径，从纱线本身的结构着手。他们制造出具有类似dna双螺旋结构的纱线，将两条纱线捻在一起制成织物。胡教授解释说：“这种方法巧妙地将两条纱线捻成一条，使两条纱线之间产生稳定的粘合力，这样织物就不容易松脱，变形后可以更快速地恢复原状。”
利用纺织柔性压阻传感器检测表皮脉搏
胡教授指出，普通纺织传感器滞后的关键原因是纱线压缩变形后，相互摩擦的纱线无法很快恢复原状。然而，她的团队制造的纱线采用了双螺旋结构，将纱线紧密地绷紧在一起，减少摩擦引起的滑移，从而可以改善滞后的问题。
在此基础上，该团队进一步开发了一种具有超快响应和超强恢复能力的纺织柔性压阻传感器，并进行了表皮脉搏监测实验。
a）展示了一种常见的编织技术；b）展示了本研究采用的双螺旋结构纱线（右下角的插图展示了dna结构）；c）展示了具有芯鞘结构的纤维；d-f）相应织物表面的电子显微镜扫描图像；g）本研究团队设计的纺织压阻传感器；h）展示了纺织压阻传感器卓越的柔性；i）展示了组装在胶带上的纺织压阻传感器。
该团队开发的纺织柔性压阻传感器由五层结构组成。中间层织物由双螺旋结构的纱线编织而成，置于聚酰亚胺（pi）基板的电极层上。然后，研究人员用凝胶密封这三层结构，最后在其顶面覆盖一层聚萘二甲酸乙二醇（pen）薄膜。
对纺织柔性压阻传感器通电后，电极层上的织物在表皮脉搏跳动下发生变形产生电阻，并会根据脉搏的变化产生不同的信号。该团队实验证实，这种纺织柔性压阻传感器可以检测颈部和手腕上的表皮脉搏，并且，发现运动前后监测到的手腕脉搏信号会有差异。此外，从正常女性和诊断为窦性心动过缓的男性采集的腕部脉搏信号，也存在显著差异。
与其他单股纺织传感器（上图）相比，胡教授团队开发的双螺旋结构传感器（下图）生成的信号一致性更好。
超快响应，超快恢复
胡教授评论称：“与其他纺织传感器相比，我们开发的这款器件具有更高的灵敏度。它可以感知重量只有9毫克的一粒谷物形成的压力。此外，这款传感器的响应速度非常快，只需两毫秒就可以生成信号，一毫秒就可以从脉搏跳动后的形变中恢复。这款纺织柔性压阻传感器经过测试证明了耐久性，它可以重复使用6000次后仍保持95%的初始性能。最重要的是，我们还解决了普通纺织传感器的滞后问题。实验结果表明，该传感器具有出色的信号一致性，并在各个方面都展现了平衡的性能。”
研究小组在中医把脉常用的“寸”、“关”和“尺”位置分别放置了一组传感器，展示了这款纺织传感器在传统中医领域的潜在应用。
胡教授认为这款创新的高效纺织柔性压阻传感器是表皮脉搏检测技术的新突破。它可以灵活地组装在各种可穿戴设备上，还有助于推动中医把脉技术的现代化。