可穿戴式电子皮肤传感器

可穿戴式电子皮肤传感器

请想象未来生活的场景，电子皮肤可以取代所有现有的智能设备。每天早晨,电子皮肤会替代闹钟将你唤醒;刷牙的时候,通过电子皮肤发出指令,厨房就会自动帮你烹饪早餐;吃完早餐,通过电子皮肤呼叫出租车,并实时发送路线图给司机。这并不是科幻小说里的情节,而是执教于斯坦福大学化学工程学院的鲍哲南教授近期在顶级科技期刊《自然》杂志上发表的文章中描述的最新研究成果——可穿戴无线皮肤传感器BodyNet。生物可贴的传感器BodyNet的形态非常小,可以像一张小创可贴一样贴在患者需要观测的皮肤表面。它将首先被用在医疗方面,如监测患有睡眠障碍的患者夜间睡觉质量、呼吸、心跳、肌肉等表现,或长期观测心脏病患者日常生活中的心脏表现。BodyNet传感器不需要电池,工作原理类似于ID卡:利用无线射频识别技术,从服装接收器吸收能量,为传感器供电,然后从皮肤读取数据并发送回接收器。鲍哲南团队的目标是开发穿着舒适、可以随着皮肤拉伸或收缩,并且不需要电池或刚性电路的材料。固定在衣服上的带电池的接收器可为贴纸无线供电,收到贴纸读取的皮肤信号后,接收器就会经蓝牙将信号上传至智能手机等终端。他们称,当这种“创可贴”传感器贴在手腕或腹部时,它可通过皮肤的伸展和收缩来监测人的脉搏和呼吸。传感器贴纸成本很低,用户可以使用多张贴纸同时监测不同部位,用完即扔。人的正确控制动作同样,来自休斯敦大学的工程师研发了一款多功能可穿戴式贴片,让人类和机器的融合变得更加容易。这款可穿戴式贴片的厚度不到4微米,整个结构只使用了一种材料,却包含了晶体管、RRAM存储单元、应变传感器、紫外光检测器、温度传感器和加热器。在手背贴上这款可穿戴式贴片,就可以通过对人手部动作的捕捉,将肌肉信号直接用于引导机器人。为了更好地控制机器人的动作,机器人同样可以来上这么“一贴”。这样就可以通过贴片的集成加热器电路,从机器手向人手提供温度反馈来关闭人机控制回路。当人手与机器手相握时,贴片温度明显上升,松开后温度很快回到了体温。这一切的玄机都暗藏在这块约4微米厚的贴片里,乍一看,弯弯扭扭的导体有点像我们吃的“泡面”,放大看才发现,其实每根“面条”的形态是不一样的,每一个不同的形态对应一种元器件。这些元器件是研究人员使用光刻法图案化的结构,由50纳米厚的金导体、氧化铟锌(IZO)半导体、聚酰亚胺封装和(用于晶体管)常见的介电环氧树脂SU-8组成。导体的泡面状允许器件与聚酰亚胺一起伸展而不会断裂,这样柔软的质感,使得人在佩戴时获得更好的体验。正如该项研究的带头人余存江博士所说:“传统上,要实现多种功能,您可能需要将多种材料或多个芯片集成在一起,但现在使用一种材料就可以做到这一切。”柔性电子皮肤可延展柔性化一直是电子皮肤产业的研究发展方向,尤其在医疗健康领域被寄予厚望。比如在医院中,传统大型医疗器械不仅费用高且体验也不理想,尤其是对于婴幼儿和老年人而言,传统电子传感器显得过于繁琐和冰冷。让使用者拖着数不清的有线、硬质、不贴身的医疗监测设备进行各项测试,在当下这个被互联网服务和体验惯坏的时代中,显然有些无奈。此外,不少个体亦受到医疗环境影响:一旦处于医院诊所环境中,个体的血压值高于正常水平。嘈杂冰冷的医疗环境感受并不利于病情的恢复,患者因此更希望在家中进行病情检测和治疗。据《华盛顿邮报》报道,住院患者的平均住院时间为5.3天,而患者在家修养的康复时间仅为3.1天。通过柔性电子皮肤,患者可实现在家中体验更舒适的监测与治疗。深耕于柔性电子皮肤的硅谷企业VivaLNK,已经实现了全球化的医疗级产品推广,并且在医疗机构、保险等领域积极推进相关实践。VivaLNK的第一款产品,蓝牙智能测温贴FeverScout,采用柔性电子皮肤设计,通过了生物相容性、防吞咽等各项国际测试,精度达到医疗级水准,并已经通过了FDA、CEMedical、TGA在内的多个国内外标准认证。以FeverScout为例,虽然产品看似简单,但设计中包含了很多细节与创新。比如在硬件设计方面,需要让柔性电路配合高精度传感器,并要做到微型化,还要能够防水和确保安全;考虑到使用时间,特地采用了低功耗设计,充满电1次可满负荷工作1个月。产品配合App和平台系统使用,用户将贴片贴在身上,便能观察到当前体温,精准度达到到±0.1摄氏度;同时还可持续追踪体温变化,实现温度实时预警。通过医疗云平台,在个人、家庭、机构间实现信息共享。电子皮肤等器件的应用支持残疾人操作假肢。将可穿戴柔性电子皮肤与脑科学、神经刺激结合起来,使用传感器传达残疾人脑部信号,使其可以真正感触并控制假肢运动。目前,科学界已成功使小老鼠通过脑部信号传递进行踢球。预测脑中风。病人脖子通往大脑的血管如果堵塞,就会引起脑中风。可以将传感器放置在动脉,测量血管的伸张收缩性。如果信号开始变化,说明有血管堵塞的可能。通过这种提前预测,可以有效降低因脑血管堵塞引起的健康危险,提高病人的生存率。检测脑部肿瘤。医生在开颅手术完成时,可以在颅内放入可生物降解的传感器以监测病人的颅压。病人自己可以通过设备传输数据观测自己脑压是否有变化,是否有复发的迹象,以便提早就医。除了以上医疗领域有可能应用的场景,未来电子皮肤等器件不仅可以放在人体表面或是机器人表面,更可以放在建筑物、飞机等大型器物表面以监测数据。甚至在增强虚拟现实方面,VR目前对于用户来说只有视觉的感受,而未来用户可以通过可穿戴设备传达电信号,真正感受到虚拟世界的“真实”。目前,可穿戴电子技术研究机构和产业界都有不