僅在美國(guó)，每年就有大約 100,000 起交通事故是由困倦或疲勞等人為因素造成的。汽車生物傳感器可用于通過(guò)提供健康問題的早期檢測(cè)、阻止疲勞相關(guān)的事故以及評(píng)估壓力和情緒狀態(tài)來(lái)幫助保持安全駕駛?，F(xiàn)在已經(jīng)探索了各種方法來(lái)測(cè)量汽車環(huán)境中疲勞和警覺性的生理標(biāo)志物，包括電生理學(xué)、慣性行為相關(guān)和視覺等方式。然而，這些方法難以在動(dòng)力學(xué)環(huán)境中可靠且不引人注目地捕獲生理標(biāo)志物，例如在發(fā)生大量振動(dòng)的汽車或航空應(yīng)用中。電極已被整合到方向盤表面，以獲得注意力不集中的電生理標(biāo)志物，但該方法需要穩(wěn)定的皮膚接觸，這很難實(shí)現(xiàn)?；蛘?，在某些情況下使用攝像頭的監(jiān)控方法很有前途，但它們依賴于環(huán)境照明，會(huì)產(chǎn)生潛在的隱私問題。

無(wú)線傳感器有可能在車輛環(huán)境中提供不顯眼的疲勞和注意力檢測(cè)。它們對(duì)環(huán)境噪聲（例如可變的照明條件）不太敏感，并且可以保護(hù)用戶隱私。然而，由于運(yùn)動(dòng)偽影以及封閉機(jī)艙環(huán)境中多徑反射產(chǎn)生的信號(hào)干擾，在包括振動(dòng)、隨機(jī)身體運(yùn)動(dòng)和多名乘客在內(nèi)的動(dòng)力學(xué)環(huán)境中獲取高質(zhì)量的生理參數(shù)仍然比較困難。近日，新加坡國(guó)立大學(xué)何思遠(yuǎn)教授與清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院田曦團(tuán)隊(duì)合作報(bào)道了一種超材料生物傳感器。它可以在動(dòng)力學(xué)環(huán)境中捕獲心肺信號(hào)，而無(wú)需與身體直接接觸。該生物傳感器使用數(shù)字刺繡制成，可以與安全帶集成，并可以通過(guò)無(wú)線信號(hào)與身體之間的近場(chǎng)交互來(lái)檢測(cè)生理運(yùn)動(dòng)。

使用導(dǎo)電線用計(jì)算機(jī)輔助數(shù)字刺繡制造生物傳感器，這種柔軟的紡織傳感器，可以貼合身體，適應(yīng)用戶活動(dòng)并與現(xiàn)有安全帶集成。生物傳感器可以連續(xù)監(jiān)測(cè)安全帶上各個(gè)位置的心率 （HR） 和呼吸，包括肩帶和腰帶，并且對(duì)不同的服裝材料和厚度都可以保持性能。在航空公司機(jī)艙模擬器中測(cè)試了刺繡超材料系統(tǒng)對(duì)一系列人體活動(dòng)的檢測(cè)能力，并驗(yàn)證了其睡眠-覺醒階段鑒別的能力。生物傳感器還可以可靠地提取呼吸和心跳信號(hào)，并在具有挑戰(zhàn)性的動(dòng)力學(xué)環(huán)境中保持準(zhǔn)確性。

圖：非接觸式超材料生物傳感器

生物傳感器的設(shè)計(jì)：

為了克服相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的信號(hào)減弱現(xiàn)象，利用與身體機(jī)械耦合的線束作為基材，集成一種超材料，該超材料可以通過(guò)無(wú)線信號(hào)與身體之間的近場(chǎng)交互實(shí)現(xiàn)對(duì)生理運(yùn)動(dòng)的高度靈敏檢測(cè)。選擇導(dǎo)電線的數(shù)字刺繡作為制造策略，因?yàn)樗軌蛟趲缀跞魏维F(xiàn)有的織物基材上精確產(chǎn)生復(fù)雜的周期性圖案。這種超材料通過(guò)低填充因子并支持小波長(zhǎng)表面波的傳，由空心梳狀形狀組成，該結(jié)構(gòu)將無(wú)線信號(hào)傳播為欺騙表面等離子體 （SSP） 極化激元，其波長(zhǎng)壓縮到自由空間波長(zhǎng)的四分之一左右。這些高度受限的近場(chǎng)傳感模式提供了針對(duì)潛在干擾的魯棒性，例如駕駛員姿勢(shì)變化和多乘客雜波。色散關(guān)系分析用于設(shè)計(jì)晶胞的幾何參數(shù)，以獲得 2.4–2.5 GHz 工作頻帶內(nèi)所需的表面模式特性。當(dāng)填充因子 q 從 8 mm 降低到 1 mm 時(shí)，2.4GHz 時(shí)的波數(shù)β從 0.48π 增加到 0.65π rad cm?1，表示更強(qiáng)的場(chǎng)限制和波長(zhǎng)壓縮。此外，可以調(diào)整填充因子以支持 0.49π 至 0.59π rad cm?1 的表面模式在不同的紡織基材上應(yīng)用。

為了實(shí)現(xiàn)從超材料結(jié)構(gòu)到 50 Ω共面波導(dǎo) （CPW） 的高效波矢轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)了一個(gè)與傳統(tǒng)微波連接器兼容的過(guò)渡截面。由梯度波紋空心帶和擴(kuò)口接地組成的阻抗匹配過(guò)渡，它將傳輸效率提高了 4 dB 以上，并降低了超材料波導(dǎo)和 CPW 之間的轉(zhuǎn)換損耗。另一方面，超材料生物傳感器的傳輸損耗由紡織品電導(dǎo)率決定，這可以通過(guò)填充因子的變化來(lái)適應(yīng)。為了確保與刺繡生產(chǎn)的兼容性并保持亞波長(zhǎng)壓縮，選擇 q = 2 mm 以將傳輸損耗保持在 0.25 dB cm?1。超材料生物傳感器在計(jì)算體模型上的全波模擬說(shuō)明了生物傳感器表面的波長(zhǎng)壓縮和能量限制。這些特性可以增強(qiáng)與身體的無(wú)線交互，利用心肺活動(dòng)引起的組織特性變化來(lái)更有效地調(diào)節(jié)傳播階段，尤其是當(dāng)生物傳感器集成到位于身體前方的安全帶中時(shí)。傳輸信號(hào)以表面波的形式沿超材料結(jié)構(gòu)傳播，并將組織邊界和介電特性的變化轉(zhuǎn)化為相位調(diào)制。

圖：紡織超材料生物傳感器的設(shè)計(jì)

超材料生物傳感器性能評(píng)估：

為了評(píng)估超材料生物傳感器在符合彎曲身體輪廓下的性能，將其集成到飛機(jī)機(jī)艙模擬器中。從四名健康受試者（兩名男性和兩名女性）那里獲得了生理數(shù)據(jù)，他們穿著正規(guī)服裝，在肩帶和腰帶上放置了不同的傳感器。通過(guò)變分模態(tài)分解（VMD） 進(jìn)行信號(hào)分離，然后進(jìn)行峰檢測(cè) （方法） 來(lái)提取 HR 和呼吸。通過(guò)將傳感器放置在安全帶的低段和中段，可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)到的心跳間期 （IBI）和參考心電圖呼吸率 （RR） 間期之間的更高相關(guān)性，r = 0.967 和 0.972。對(duì)于所有四個(gè)傳感器的放置，HR s.d. 誤差范圍為每分鐘 2.9 至 5.6 次 （bpm），這與領(lǐng)先的商用腕戴式心率監(jiān)測(cè)器相當(dāng)，通常約為 4-10 bpm。同樣，RR 檢測(cè)的s.d. 誤差與商用可穿戴設(shè)備相當(dāng) （2-3 bpm）。此外，即使穿著冬季外套（>1 cm 厚），生物傳感器也能保持 3 bpm 的 HR s.d. 誤差。這些結(jié)果驗(yàn)證了超材料生物傳感器的有效性，并為傳感器部署提供了有價(jià)值的指導(dǎo)。

圖：傳感器放置的傳感性能特征

在飛機(jī)機(jī)艙模擬器中進(jìn)行持續(xù)健康監(jiān)測(cè)：

使用紡織超材料生物傳感器，在飛機(jī)機(jī)艙模擬器中對(duì)日?；顒?dòng)進(jìn)行了生理監(jiān)測(cè)，包括說(shuō)話、喝水、在鍵盤上打字和使用手機(jī)。生物傳感器可以可靠地捕獲呼吸和心跳信號(hào)，盡管身體運(yùn)動(dòng)和背景干擾仍然存在。通過(guò)將生物傳感器集成到腰帶中，以便在斜躺位置進(jìn)行生理監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步擴(kuò)展了生物傳感器的多功能性。生物傳感器捕獲不同身體方向的生理信號(hào)，包括仰臥位、俯臥位、左臥位和右臥位，IBI 估計(jì)誤差中位數(shù)為 15 毫秒。

睡眠期間的心率動(dòng)力學(xué)受自主神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，導(dǎo)致不同的模式，可以為睡眠-覺醒轉(zhuǎn)換提供信息。因此，進(jìn)行了 6 小時(shí)的夜間睡眠實(shí)驗(yàn)，以證明超材料生物傳感器在睡眠-覺醒檢測(cè)方面的能力。在最初的 25 分鐘內(nèi)平均心率明顯下降 （~15 bpm） 表明入睡。此外，睡眠期間 HR 的突然變化與覺醒密切相關(guān)，表現(xiàn)為 HR 從低于 60 bpm 突然增加到70 bpm 以上。利用傳感器輸出作為身體活動(dòng)指標(biāo)并將其與 HR 數(shù)據(jù)集成，使用基于規(guī)則的方法（Methods） 進(jìn)行了睡眠-覺醒分類。下圖顯示了整個(gè) 6 小時(shí)睡眠測(cè)試中的生物傳感器輸出 （i）、心率曲線 （ii）、身體活動(dòng) （iii） 和二元睡眠-覺醒分類（iv）。與從智能手表獲得的參考睡眠-覺醒階段進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試時(shí)，從心率概況和身體活動(dòng)指標(biāo)得出的估計(jì)睡眠-覺醒階段的檢出率為 95%。

圖：連續(xù)的生理監(jiān)測(cè)

車輛環(huán)境中的生理監(jiān)測(cè)：

接下來(lái)探討紡織超材料生物傳感器在真實(shí)車輛環(huán)境中的效用。將其集成到汽車安全帶中，與胸部區(qū)域?qū)R。當(dāng)車輛怠速時(shí)，時(shí)域和頻域分析都顯示出清晰的呼吸和心跳模式。盡管存在大量的振動(dòng)干擾，但頻域分析表明，在車輛環(huán)境中仍然可以觀察到心跳信號(hào)。 基于 VMD 的信號(hào)處理管道允許對(duì)真實(shí)世界數(shù)據(jù)進(jìn)行基于優(yōu)化的擬合，從而有效地將呼吸和心跳信號(hào)與車輛環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)噪聲分離。當(dāng)受試者被指示在移動(dòng)的車輛中使用假方向盤模擬駕駛員的動(dòng)作時(shí)，進(jìn)行了生理跟蹤。對(duì)檢測(cè)到的 IBI 的 Bland-Altman 分析得出的 s.d. 誤差為 39 毫秒，與沒有引入駕駛員運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)景相當(dāng)。進(jìn)一步證明了在具有不同路況和交通流量的城市駕駛環(huán)境中對(duì)乘客的持續(xù)生理監(jiān)測(cè)。車輛的位置、速度和加速度信息是使用智能手機(jī)應(yīng)用程序記錄的。結(jié)果顯示，平均差為 0.5 ms，標(biāo)準(zhǔn)偏差為 35 ms，這與飛機(jī)機(jī)艙模擬器在相對(duì)靜態(tài)條件下實(shí)現(xiàn)的精度相當(dāng)。在車輛經(jīng)歷不穩(wěn)定加速的中度和重度交通條件下，均未觀察到生物傳感器的準(zhǔn)確性明顯下降。從最初的警覺狀態(tài)開始，受試者經(jīng)歷了多次嗜睡，與初始測(cè)量相比，平均心率大幅下降了10 次/分以上。生物傳感器捕獲的 HR的突然變化表明了生理知情嗜睡檢測(cè)的潛力。這些結(jié)果表明，超材料生物傳感器在城市駕駛環(huán)境中遇到的速度和地形范圍內(nèi)進(jìn)行生理監(jiān)測(cè)具有高度可靠性。

圖：車內(nèi)生命體征監(jiān)測(cè)

小結(jié)：

作者團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種數(shù)字刺繡的保形超材料生物傳感器，可以集成到安全帶中，用于非接觸式生理監(jiān)測(cè)。生物傳感器的超材料結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了電磁場(chǎng)與生理運(yùn)動(dòng)的相互作用，在動(dòng)力學(xué)環(huán)境中提供可靠的生命體征監(jiān)測(cè)。在航空公司客艙模擬器中測(cè)試了傳感器的性能，并證明在日?；顒?dòng)中可以獲得高質(zhì)量的生理信號(hào)。生物傳感器能夠根據(jù)心率波動(dòng)進(jìn)行睡眠-覺醒檢測(cè)，可用于長(zhǎng)期睡眠監(jiān)測(cè)應(yīng)用。通過(guò)汽車安全帶部署，強(qiáng)調(diào)了超材料生物傳感器在車輛環(huán)境和正常駕駛員運(yùn)動(dòng)中的抗振傳感能力。生理標(biāo)志物的連續(xù)流在實(shí)時(shí)評(píng)估駕駛員行為方面具有潛在價(jià)值，該方法可用于開發(fā)檢測(cè)車輛疲勞、嗜睡和高腦力負(fù)荷的應(yīng)用程序。

參考文獻(xiàn)： Qihang Zeng, Xi Tian, Dat T. Nguyen, et al. A digitallyembroidered metamaterial biosensor for kinetic environments. Nat Electronics.2024 Oct 17.

https://www.nature.com/articles/s41928-024-01263-4

來(lái)源：奇物論

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