研究背景

隨著交通運輸?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注。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，人類因素如嗜睡、疲勞等每年導致美國約10萬起交通事故，嚴重影響了公眾的生命安全和社會穩(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)，成為了一個重要的研究領域。在這一背景下，生物傳感器技術作為一種新興的監(jiān)測手段，引起了科學家的廣泛關注。

生物傳感器是能夠檢測生物標志物并提供實時反饋的設備，主要用于監(jiān)測人體的心率、呼吸等生理信號。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產生振動和運動，使得傳感器難以穩(wěn)定地貼合皮膚，導致數(shù)據(jù)采集不準確。此外，現(xiàn)有技術如攝像頭監(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，這些因素都嚴重制約了生物傳感器在汽車環(huán)境中的應用。

研究內容

為了克服這些問題，清華大學深圳國際研究生院田曦助理教授、新加坡國立大學何思遠（John S. Ho）副教授團隊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，通過巧妙的設計，它能夠在動態(tài)環(huán)境中捕捉心跳和呼吸信號。具體而言，該傳感器利用數(shù)字刺繡技術制造而成，采用導電紗線，能夠柔軟地貼合在安全帶上，適應用戶的活動并有效捕捉生理運動。同時，它還能夠通過無線信號與身體之間的近場交互，增強信號的靈敏度，從而減少運動偽影和信號干擾的影響。

本研究的主要目的是解決現(xiàn)有生物傳感器在動能環(huán)境中無法有效捕捉生理信號的問題。通過在航空客艙模擬器和真實汽車環(huán)境中的實驗，研究者們驗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、降低事故風險方面具有重要的應用前景。

圖文導讀

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

（2）實驗通過在航空客艙模擬器中進行的系列測試，驗證了生物傳感器的有效性。結果顯示，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，傳感器的準確性未受到振動和隨機運動的顯著影響，與靜態(tài)環(huán)境相比，降幅最小，顯示出其在動態(tài)應用中的可靠性。

（3）此外，研究表明，該生物傳感器具備長達一小時的持續(xù)監(jiān)測能力，可用于評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用提供了新的解決方案，具有重要的實用價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計。

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|車內生命體征監(jiān)測。

科學啟迪

本文的研究揭示了超材料在生理信號監(jiān)測中的巨大潛力，提供了新的思路來優(yōu)化生物傳感器的設計。首先，通過電磁仿真和傳輸效率分析，深入理解了超材料結構對信號捕獲的影響機制，這為未來的傳感器開發(fā)奠定了理論基礎。其次，實時監(jiān)測心率和呼吸頻率的實驗結果表明，超材料生物傳感器能夠在動態(tài)環(huán)境中有效捕捉生理信號，顯示出其在日常生活中的廣泛應用前景。

此外，本文還展示了如何將復雜信號處理與機器學習模型結合，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在生物醫(yī)學領域的應用范圍，也為其他新型傳感器的研究提供了啟示。通過將先進材料與智能算法相結合，未來有望實現(xiàn)更加精準的健康監(jiān)測和個性化醫(yī)療服務?？傊疚牡难芯坎粌H推動了超材料技術的發(fā)展，也為未來生理信號監(jiān)測技術的創(chuàng)新提供了重要參考，展現(xiàn)了跨學科研究的無限可能。

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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