【研究背景】

最近，穿戴式無(wú)線(xiàn)傳感系統(tǒng)因其能夠監(jiān)測(cè)重要生物標(biāo)志物而受到廣泛關(guān)注。這一進(jìn)展使個(gè)人能夠方便地實(shí)現(xiàn)自我健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)，消除了行動(dòng)限制，并減少了頻繁就醫(yī)的必要性。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種穿戴式無(wú)線(xiàn)傳感系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)心率、呼吸頻率、體溫、血壓等。這些系統(tǒng)通?？梢愿鶕?jù)其數(shù)據(jù)采集機(jī)制分為數(shù)字型和模擬型。數(shù)字系統(tǒng)使用藍(lán)牙或近場(chǎng)通信（NFC）技術(shù)，將測(cè)得的生物信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字比特串進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸，而模擬系統(tǒng)則以電感-電容（“LC”）諧振器為例，通過(guò)跟蹤頻率或幅度的變化直接監(jiān)測(cè)生物標(biāo)志物的變化。數(shù)字和模擬系統(tǒng)在可穿戴無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)方面展現(xiàn)出其潛力，但在傳感性能和佩戴舒適性方面仍存在局限性。具體而言，數(shù)字系統(tǒng)，尤其是那些能夠同時(shí)檢測(cè)多種生物標(biāo)志物的系統(tǒng)，必然包含眾多剛性和笨重的組件（例如，集成電路芯片和電池），導(dǎo)致其伸展性、生物相容性及維護(hù)問(wèn)題較差。相對(duì)而言，模擬LC傳感系統(tǒng)可能提供一種無(wú)電池（即被動(dòng)）設(shè)計(jì)，具有最小的剛性組件，從而能夠構(gòu)建在柔性和可伸展材料上，以提高佩戴舒適性。然而，這些系統(tǒng)不可避免地存在靈敏度和感測(cè)能力有限的問(wèn)題，因?yàn)長(zhǎng)C諧振器僅產(chǎn)生單一且微弱的光譜共振，這妨礙了對(duì)多種微小生理變化的同時(shí)檢測(cè)。

鑒于此，伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校Pai-Yen Chen、哥倫比亞密蘇里大學(xué)Zheng Yan、加利福尼亞理工學(xué)院Wei Gao課題組，在"Science Advances"期刊上發(fā)表了題為“A highly sensitive and multiplexed wireless sensing system with skin-like compliance and stretchability for wearable applications”的最新論文。作者提出了一種基于高階（即三階）電子頻率分岔（EP）的多路可穿戴無(wú)線(xiàn)傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在保持被動(dòng)功能、可拉伸性和類(lèi)似組織的順應(yīng)性的同時(shí)，敏感地監(jiān)測(cè)多種生物標(biāo)志物，適用于皮膚接口應(yīng)用。由于在高階EP處增強(qiáng)的頻率分岔，系統(tǒng)的靈敏度顯著提高。同時(shí)，與傳統(tǒng)的基于液晶（LC）或EP的單參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不同，作者的三階EP傳感系統(tǒng)具有多個(gè)獨(dú)特的共振頻率，允許通過(guò)單個(gè)諧振器同時(shí)監(jiān)測(cè)兩個(gè)參數(shù)，從而將傳感器的尺寸減小一半。該可穿戴傳感器采用導(dǎo)電多孔液態(tài)金屬（LM）復(fù)合材料（PLMC）在多孔聚氨酯（PU）基底上制造。這些材料在機(jī)械變形下提供可靠的導(dǎo)電性，對(duì)LM泄漏具有高度抵抗力，并具備優(yōu)良的抗微生物特性，使傳感器具備卓越的佩戴舒適性和生物相容性。因此，所提出的無(wú)線(xiàn)傳感系統(tǒng)結(jié)合了高靈敏度和多路傳感能力（由高階EP帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)）以及出色的佩戴舒適性和生物相容性（源于PLMC和多孔PU）。

【文章亮點(diǎn)】

高靈敏度多參數(shù)監(jiān)測(cè)：高階EP技術(shù)靈敏度提升10倍，單傳感器同步監(jiān)測(cè)溫度、電解質(zhì)、葡萄糖等。

無(wú)線(xiàn)無(wú)源：無(wú)需電池，通過(guò)射頻傳輸數(shù)據(jù)，續(xù)航提升50%。

超舒適設(shè)計(jì)：液態(tài)金屬+柔性基底，抗拉伸、防水，可水洗。

【圖文解讀】

圖1. 一種無(wú)線(xiàn)多路復(fù)用傳感系統(tǒng)，配備超柔軟、可拉伸的可穿戴傳感器，用于皮膚上汗液監(jiān)測(cè)。(A) 無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的示意圖，用于監(jiān)測(cè)皮膚溫度（T）和汗液生物標(biāo)志物（如Na+、K+和pH），提供健康狀況和疾病評(píng)估的信息。(B) 無(wú)線(xiàn)傳感系統(tǒng)及其傳感機(jī)制的詳細(xì)示意圖。由PLMC和多孔PU制成的柔軟可拉伸傳感器緊密貼合于人類(lèi)皮膚，通過(guò)感應(yīng)耦合與便攜式讀數(shù)器進(jìn)行通信。通過(guò)跟蹤反射光譜中的共振頻率，可以同時(shí)檢測(cè)電阻性和電容性生物標(biāo)志物。(C) 無(wú)線(xiàn)多路復(fù)用傳感系統(tǒng)的電路圖，包括讀數(shù)器和可穿戴傳感器。(D) 由PLMC和多孔PU制成的可穿戴傳感器的示意圖，包含用于生物標(biāo)志物（如T、Na+、K+和pH）的傳感線(xiàn)圈、可變電容二極管、電阻和傳感器。(E) 顯示可穿戴傳感器在機(jī)械變形下的照片，即拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲和折疊。比例尺，1厘米。

圖2. PLMC的特性表征，為可穿戴傳感器提供機(jī)械穩(wěn)定性、防泄漏和抗菌性能。(A) PLMC與其他已報(bào)道的彈性導(dǎo)體的電機(jī)械特性比較。(B) PLMC在2000個(gè)循環(huán)中經(jīng)歷200%最大應(yīng)變的循環(huán)拉伸所引起的相對(duì)電阻變化。插圖：10個(gè)周期內(nèi)電阻變化的放大圖。(C) PLMC在嚴(yán)苛損傷條件下的可靠性測(cè)試，包括用手術(shù)刀刺穿、錘擊加載、彎曲和扭轉(zhuǎn)。(D) 傳統(tǒng)非多孔（左）與作者的多孔（右）液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料在拉伸時(shí)的概念性示意圖，顯示多孔結(jié)構(gòu)提供的阻尼效果，有效降低液態(tài)金屬通道上的應(yīng)力。(E) 人體皮膚在佩戴非多孔（上）和多孔（下）液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料24小時(shí)后的照片。非多孔液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料表現(xiàn)出明顯的涂抹效應(yīng)，而作者的PLMC則表現(xiàn)出可忽略的泄漏。比例尺，5毫米。(F) 在壓縮前后，非多孔（上）和多孔（下）液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料制成的兩個(gè)相鄰導(dǎo)電軌跡的照片。比例尺，5毫米。(G) 在不同材料條件下培養(yǎng)2小時(shí)的耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）和耐藥性銅綠假單胞菌（PA）的存活率。*P < 0.05。(H) 在PLMC上使用ε-聚賴(lài)氨酸（上）和對(duì)照組（下）進(jìn)行的MRSA的活/死染色，培養(yǎng)2小時(shí)。比例尺，100微米?；罴?xì)胞和死細(xì)胞分別被染成綠色和紅色。(I) 使用角質(zhì)形成細(xì)胞（HaCaT）、單核細(xì)胞（U937）和人真皮成纖維細(xì)胞（HDF-α）進(jìn)行的體外生物相容性測(cè)試，在不同材料上培養(yǎng)5天。N.S.表示沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著差異。(J) 在PLMC上使用ε-聚賴(lài)氨酸（上）和對(duì)照（下）進(jìn)行的HaCat細(xì)胞的活/死染色。比例尺，100微米。CFU，菌落形成單位；CNTs，碳納米管；NPs，納米顆粒。

圖3. 例外點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的無(wú)線(xiàn)多路復(fù)用傳感系統(tǒng)的機(jī)制與特征。(A) 例外點(diǎn)系統(tǒng)的特征頻率實(shí)部，其中ω1和ω3在厄米點(diǎn)（粉紅線(xiàn)）處發(fā)生分岔，ω2被鎖定在ω0（藍(lán)色表面）。(B) 例外點(diǎn)系統(tǒng)反射系數(shù)（S11）的輪廓圖，其中特征頻率出現(xiàn)在S11的最小值處。值得注意的是，ω3對(duì)增益-損耗參數(shù)γ的變化（Δγ = γ - γEP）具有高度敏感性。(C) 例外點(diǎn)系統(tǒng)的主要共振頻率ω3、標(biāo)準(zhǔn)厄米點(diǎn)系統(tǒng)的第二共振頻率以及傳統(tǒng)LC系統(tǒng)的唯一共振頻率在γ擾動(dòng)下的比較。實(shí)線(xiàn)和點(diǎn)分別代表理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在厄米點(diǎn)附近區(qū)域（0.015 < Δγ < 0.05，灰色陰影區(qū)域），例外點(diǎn)系統(tǒng)的靈敏度為2.01，而標(biāo)準(zhǔn)厄米點(diǎn)和LC系統(tǒng)在相同耦合系數(shù)（κ = 0.5）下的靈敏度分別為0.89和0.18，分別實(shí)現(xiàn)了2.26倍和11.17倍的增強(qiáng)。(D至F) 傳統(tǒng)LC、標(biāo)準(zhǔn)和例外點(diǎn)系統(tǒng)的傳感機(jī)制比較，顯示例外點(diǎn)系統(tǒng)能夠同時(shí)對(duì)電阻和電容擾動(dòng)作出高靈敏度響應(yīng)，而傳統(tǒng)LC或標(biāo)準(zhǔn)厄米點(diǎn)系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。(G) 可穿戴傳感器的主要導(dǎo)電組件——線(xiàn)圈電感器的磁場(chǎng)分布，由相同LM含量的非多孔和多孔LM復(fù)合材料制成，在20%應(yīng)變前后觀察。(H) 由非多孔和多孔LM復(fù)合材料制成的線(xiàn)圈電感器的電阻和電感值與單軸應(yīng)變的關(guān)系。這些非多孔和多孔LM復(fù)合材料具有相同的LM含量。(I) 例外點(diǎn)傳感系統(tǒng)的穩(wěn)定性測(cè)試，表明其三種共振頻率在拉伸周期中保持不變。

圖4. 運(yùn)動(dòng)期間皮膚溫度、汗液[Na+]、[K+]和pH的監(jiān)測(cè)。(A) 一名志愿者在運(yùn)動(dòng)期間佩戴軟多路傳感器的照片。(B) 當(dāng)傳感器置于空氣中和附著于人類(lèi)皮膚上時(shí)，所提議的無(wú)線(xiàn)傳感系統(tǒng)的反射光譜。共振頻率不受人體存在的影響。(C) 在不同溫度條件下的反射系數(shù)(S11)，顯示第三共振頻率f3隨溫度顯著變化，而第二共振頻率f2保持不變。(D) 在不同Na+濃度下的S11，顯示f2可以對(duì)[Na+]的變化作出響應(yīng)。(E) 第二共振頻率的變化(Δf2)與K+濃度的關(guān)系，在不同pH條件下保持一致。(F) 頻率比f(wàn)3/f2與不同[K+]的pH關(guān)系。一旦通過(guò)f2確定了[K+] (E)，f3/f2與pH之間的關(guān)系變得清晰。(G和H) 在40分鐘低強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)(LIE)期間的共振頻率變化，表明皮膚溫度(T)、汗液[Na+]、[K+]和pH的變化。(I到L) 在40分鐘LIE、高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)(HIE)不攝入(w/o)水和HIE攝入(w/)水期間的汗液[Na+]、皮膚溫度、汗液[K+]和pH監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔為20分鐘。

圖5. 在日常活動(dòng)中對(duì)正常和肥胖受試者進(jìn)行的汗液葡萄糖和[NH4 +]的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。(A) 監(jiān)測(cè)高纖維和高碳水化合物飲食（高碳水化合物）受試者汗液葡萄糖和[NH4 +]的無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)示意圖。(B) 可穿戴汗液傳感器的照片，使用單一傳感線(xiàn)圈同時(shí)監(jiān)測(cè)汗液中的葡萄糖和[NH4 +]。比例尺，1 cm。(C和D) 無(wú)線(xiàn)傳感系統(tǒng)的反射光譜，顯示第二和第三共振頻率在[Glu]和[NH4 +]變化時(shí)顯著偏移。在(C)中，[NH4 +] = 50 mM，在(D)中，[Glu] = 600 μM。(E和F) 在日?；顒?dòng)中汗液[Glu]和[NH4 +]的動(dòng)態(tài)變化，包括食物攝入、鍛煉及其他日常活動(dòng)（即工作、交談等）。對(duì)一名正常受試者進(jìn)行了為期2天的監(jiān)測(cè)，飲食攝入不同；一名為高纖維飲食（E），另一名為高碳水化合物飲食（F）。(G) 對(duì)一名高纖維飲食的肥胖受試者汗液[Glu]和[NH4 +]的分析，顯示其葡萄糖水平相對(duì)高于正常受試者。(H和I) 正常和肥胖受試者在第一次高纖維和高碳水化合物餐后（H）以及在1小時(shí)的體育鍛煉期間（I）的汗液[Glu]和[NH4 +]。

【結(jié)論與展望】

可穿戴無(wú)線(xiàn)傳感系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)關(guān)鍵生物標(biāo)志物方面日益受到重視，尤其在健康監(jiān)測(cè)和疾病管理中。然而，現(xiàn)有系統(tǒng)往往在靈敏度、多參數(shù)傳感能力、緊湊性、功耗和佩戴舒適性之間存在妥協(xié)，限制了其在皮膚接口應(yīng)用中的效果。在本研究中，作者提出了一種基于高階例外點(diǎn)（EP）的無(wú)線(xiàn)無(wú)電池多路復(fù)用傳感系統(tǒng)，這是一個(gè)在非厄米領(lǐng)域中的奇點(diǎn)。該系統(tǒng)具有多個(gè)獨(dú)特的共振頻率，能夠敏感地響應(yīng)生理變化，與傳統(tǒng)基于諧振器的系統(tǒng)相比，靈敏度提高了超過(guò)10倍，體積減少了50%。此外，傳感器采用了抗應(yīng)變的液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料和柔軟基底，確保了佩戴的舒適性、機(jī)械可靠性和抗微生物特性。該系統(tǒng)的有效性通過(guò)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)皮膚溫度和汗液電解質(zhì)的原位監(jiān)測(cè)，以及在不同受試者中對(duì)汗液葡萄糖和銨離子的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)得以驗(yàn)證。所提出的系統(tǒng)具有高度變革性，為各種可穿戴應(yīng)用提供了顯著的益處。

來(lái)源：新一代柔性傳感