研究背景

隨著交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展和汽車數(shù)量的激增，交通安全問題日益受到關(guān)注。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，人類因素如嗜睡、疲勞等每年導(dǎo)致美國約10萬起交通事故，嚴(yán)重影響了公眾的生命安全和社會(huì)穩(wěn)定。因此，研究如何提高駕駛安全性，尤其是通過監(jiān)測駕駛員的生理狀態(tài)，成為了一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。在這一背景下，生物傳感器技術(shù)作為一種新興的監(jiān)測手段，引起了科學(xué)家的廣泛關(guān)注。

生物傳感器是能夠檢測生物標(biāo)志物并提供實(shí)時(shí)反饋的設(shè)備，主要用于監(jiān)測人體的心率、呼吸等生理信號(hào)。傳統(tǒng)的生物傳感器往往需要與皮膚直接接觸，這在汽車等動(dòng)態(tài)環(huán)境中面臨著諸多挑戰(zhàn)。具體來說，車輛在行駛過程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)，使得傳感器難以穩(wěn)定地貼合皮膚，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確。此外，現(xiàn)有技術(shù)如攝像頭監(jiān)測也面臨光照變化、隱私問題以及無法直接捕捉生理狀態(tài)的局限性，這些因素都嚴(yán)重制約了生物傳感器在汽車環(huán)境中的應(yīng)用。

研究內(nèi)容

為了克服這些問題，清華大學(xué)深圳國際研究生院田曦助理教授、新加坡國立大學(xué)何思遠(yuǎn)（John S. Ho）副教授團(tuán)隊(duì)攜手提出了一種新型的超材料生物傳感器。這種生物傳感器可以無接觸地監(jiān)測生理信號(hào)，通過巧妙的設(shè)計(jì)，它能夠在動(dòng)態(tài)環(huán)境中捕捉心跳和呼吸信號(hào)。具體而言，該傳感器利用數(shù)字刺繡技術(shù)制造而成，采用導(dǎo)電紗線，能夠柔軟地貼合在安全帶上，適應(yīng)用戶的活動(dòng)并有效捕捉生理運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，它還能夠通過無線信號(hào)與身體之間的近場交互，增強(qiáng)信號(hào)的靈敏度，從而減少運(yùn)動(dòng)偽影和信號(hào)干擾的影響。

本研究的主要目的是解決現(xiàn)有生物傳感器在動(dòng)能環(huán)境中無法有效捕捉生理信號(hào)的問題。通過在航空客艙模擬器和真實(shí)汽車環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)，研究者們驗(yàn)證了該超材料生物傳感器在連續(xù)監(jiān)測心率和呼吸方面的有效性，并展示了其在不同環(huán)境條件下的魯棒性。這一成果不僅為汽車行業(yè)提供了一種新的安全監(jiān)測手段，也為生物傳感器技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路和方向。因此，該研究在提升交通安全、降低事故風(fēng)險(xiǎn)方面具有重要的應(yīng)用前景。

圖文導(dǎo)讀

（1）實(shí)驗(yàn)首次開發(fā)了一種超材料生物傳感器，能夠在動(dòng)能環(huán)境中無接觸地捕捉心肺信號(hào)。該生物傳感器通過數(shù)字刺繡技術(shù)制造，集成于安全帶中，利用無線信號(hào)與身體的近場交互來監(jiān)測生理參數(shù)。

（2）實(shí)驗(yàn)通過在航空客艙模擬器中進(jìn)行的系列測試，驗(yàn)證了生物傳感器的有效性。結(jié)果顯示，該傳感器能夠連續(xù)監(jiān)測心率和呼吸，且在多種不同的衣物材料和厚度下依然保持高精度。尤其是在駕駛環(huán)境中，傳感器的準(zhǔn)確性未受到振動(dòng)和隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的顯著影響，與靜態(tài)環(huán)境相比，降幅最小，顯示出其在動(dòng)態(tài)應(yīng)用中的可靠性。

（3）此外，研究表明，該生物傳感器具備長達(dá)一小時(shí)的持續(xù)監(jiān)測能力，可用于評(píng)估駕駛員的警覺性和健康狀況，從而有助于減少因疲勞或其他健康問題引發(fā)的交通事故。綜上所述，本研究為無接觸生物傳感器在汽車安全中的應(yīng)用提供了新的解決方案，具有重要的實(shí)用價(jià)值和廣闊的市場前景。

圖 1 |非接觸式超材料生物傳感器。

圖 2|紡織超材料的生物傳感器設(shè)計(jì)。

圖 3|傳感器布置的感測性能表征。

圖 4|連續(xù)生理監(jiān)測。

圖 5|車內(nèi)生命體征監(jiān)測。

科學(xué)啟迪

本文的研究揭示了超材料在生理信號(hào)監(jiān)測中的巨大潛力，提供了新的思路來優(yōu)化生物傳感器的設(shè)計(jì)。首先，通過電磁仿真和傳輸效率分析，深入理解了超材料結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)捕獲的影響機(jī)制，這為未來的傳感器開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。其次，實(shí)時(shí)監(jiān)測心率和呼吸頻率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超材料生物傳感器能夠在動(dòng)態(tài)環(huán)境中有效捕捉生理信號(hào)，顯示出其在日常生活中的廣泛應(yīng)用前景。

此外，本文還展示了如何將復(fù)雜信號(hào)處理與機(jī)器學(xué)習(xí)模型結(jié)合，提升監(jiān)測精度和數(shù)據(jù)分析能力。這不僅拓展了超材料技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，也為其他新型傳感器的研究提供了啟示。通過將先進(jìn)材料與智能算法相結(jié)合，未來有望實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的健康監(jiān)測和個(gè)性化醫(yī)療服務(wù)。總之，本文的研究不僅推動(dòng)了超材料技術(shù)的發(fā)展，也為未來生理信號(hào)監(jiān)測技術(shù)的創(chuàng)新提供了重要參考，展現(xiàn)了跨學(xué)科研究的無限可能。

文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41928-024-01263-4

來源：客低維材料前沿

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