专访 | 斯坦福鲍哲南团队开发出无线皮肤传感器,可舒适、便捷监测心跳、呼吸和运动

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专访 | 斯坦福鲍哲南团队开发出无线皮肤传感器,可舒适、便捷监测心跳、呼吸和运动
麻省理工科技评论 2019-08-21

2019-08-21

斯坦福鲍哲南团队开发出无线皮肤传感器,以后可以远离医院那些庞大繁重的监测设备了,这款无线皮肤传感器与特制衣服搭配即可实现心跳、呼吸和运动等诸多指标的监测。
科学 芯片
斯坦福鲍哲南团队开发出无线皮肤传感器,以后可以远离医院那些庞大繁重的监测设备了,这款无线皮肤传感器与特制衣服搭配即可实现心跳、呼吸和运动等诸多指标的监测。

以后可以远离医院那些庞大繁重的监测设备了,这款无线皮肤传感器与特制衣服搭配即可实现心跳、呼吸和运动等诸多指标的监测。

这其实是一套可贴在皮肤上监测健康状况的传感器系统,其中包括如创可贴一般的传感器贴片,以及可缝制在衣服内的柔性阅读器。研究人员用金属墨水将天线和传感器打印到贴片上,后者可以像创可贴一样贴在皮肤上,并能够无线发送数据至夹在衣服里的阅读器。

专访 | 斯坦福鲍哲南团队开发出无线皮肤传感器

图 | 手腕上的无线传感器,以及夹在衣服里的阅读器。(来源:牛思淼)

该研究通讯作者是斯坦福大学化学工程系鲍哲南教授和新加坡南洋理工大学陈晓东教授。8 月 15 日,这个研究发表在了《自然·电子学》(Nature Electronics)。这项研究得到三星电子、新加坡科技研究局、日本科学促进会和斯坦福精密健康与综合诊断中心的支持。

核心突破:改良版的射频识别

人类的皮肤不仅有保护功能,它还可以发送微弱信号,比如紧张时的心跳或者尴尬时的红晕。这成了科学家发明传感器监测人体信号的灵感来源。

专访 | 斯坦福鲍哲南团队开发出无线皮肤传感器

图 | 无线柔性传感器。(来源:牛思淼)

如果要实现生理信号采集完整,且要佩戴舒适,这就需要传感器柔软且轻质,能够贴合皮肤并可拉伸。这正是一款利用非传统射频识别的柔性皮肤传感器集成装置,这个设备可将无线信号传输至衣服中的阅读器,如此即可实现连续采集人体脉搏、呼吸和身体运动数据。

与蓝牙和 NFC 设备相比,该系统更具柔性、鲁棒性(即稳定性)和舒适性,并且使用不限时间地点,无需用户动手操作。此外,该系统通过用无线方式取代了传统的物理互连,解决了可拉伸传感器和高性能硅电子设备之间的机械不兼容问题。

研究论文第一作者、斯坦福大学博士后牛思淼告诉 DeepTech,此研究的关键挑战在于将软传感器与刚性硅基集成电路无缝集成,因为在过去的研究中软传感器与刚性材料对接的机械强度效果较差,这就像手机充电线的接口处容易断裂一样,软/硬交界处会有应变集中效应。

所以研究人员摒弃了有线连接,而采用无线的方式,这就避免了软/硬接口带来的麻烦。他们的解决思路是利用无线射频识别技术(RFID),如此一来,皮肤上的传感器贴片就不再有刚性电池和芯片。

无线射频识别技术适用于短距离识别通讯,即通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据,该技术可以自动识别目标,无需人工干预。识别过程中应答器并不需要电池,其从阅读器发出的电磁场中就可以得到能量。

同样,这款皮肤传感器的天线吸收衣服里阅读器发射的少许RFID能量来实现供电。

麻烦在于,因为柔性的缘故,传统的RFID技术并不能满足这款皮肤传感器要求。传统的刚性 RFID 技术需要传感器的天线保持在特定的共振频率(即 13.56 MHz)才能实现信号有效传输,而柔性皮肤贴片变形时,其天线几何形状发生变化,共振频率发生漂移,这就会导致无线通讯失败。那么如何在柔性设备变形的条件下,也能保证信号传输效果呢?

研究人员发现,在耦合系数大且皮肤贴片的天线共振频率远高于工作频率时,即使皮肤贴片天线共振频率和品质因子发生漂移,也不会有影响。其唯一的“缺点”是,无线通讯的距离需要在 2 厘米范围内。可巧的是,皮肤贴片与衣服里的阅读器距离一般不会超过 2 厘米,这就保证了无线通讯效果。

此外,研究人员利用可打印的金属墨水实现了传感器网络的可拉伸性能,即使在受到 50% 应变情况下,传感器网络也能保证功能维持。

一件延伸空间巨大的作品

为了演示这项可穿戴技术,研究人员将传感器贴在测试对象的手腕和腹部,通过检测每次心跳或者呼吸过程中的皮肤拉伸与收缩,来监测其脉搏与呼吸。同样,通过测量每次相应的肌肉活动时皮肤微小的收紧或者放松,个人手肘与膝盖上的贴片可以追踪手臂和腿部的运动。

研究人员认为,这项被称为“身体网”(BodyNet)的可穿戴技术将首先应用在医疗环境中,例如监测睡眠障碍或心脏病病人。鲍哲南实验室已经开发了一个智能手机 APP 的雏形,可以显示出 5 个参数的指标,包括脉搏、呼吸和身体运动。他们希望最终能够追踪多种生理指标,包括体温、血压和电化学生理信号在内,并整合到一个集成传感器中,实现微型化、便捷化。

鲍哲南的最终目标是创造一个贴在皮肤上并与智能服装一起工作的无线传感器阵列,她认为:“我们可能会创造出全身的皮肤传感器阵列,在不影响人们正常行为的情况下采集生理数据。”

该设备有更高的准确性和非侵入性,这正是个体化精准治疗的发展方向。这款可穿戴设备的开发初衷也正是为了个体化医疗保健需求,如今人们更希望能够实现连续、准确的人体生理数据便捷采集方式,而不是依赖医院庞大复杂的监测系统。

加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授徐升曾开发过能监测血压的可穿戴超声波贴片,他在同期《自然·电子学》上对此研究发表评论称,鲍哲南团队这个研究是未来互联网医疗用品中可穿戴设备的重要一步。

徐升评论认为,这项研究还可以有更多的延展空间,比如在传感器节点增加分布式计算能力,这有助于未来在个性化医疗保健的迅速发展。此外,无线传感器还可以考虑光学、化学或生物传感器,这会让该技术应用范围大大增加。

专访第一作者、斯坦福大学博士后牛思淼

DeepTech:你们是基于哪些考虑来做无线皮肤传感器的,也就是说,这个研究的出发点是什么?

牛思淼:最基本的出发点是,我们希望设计一款无线皮肤能够集成软的皮肤传感器。但是传统集成方法只能采用弹簧形电线连接的“岛桥”结构,这种设计最大的问题是会造成软/硬接口上的应力集中效应,因此系统的鲁棒性是有一定问题的。所以在设计这个系统的时候,我们的想法是用无线通讯取代物理导线连接,这样就可以增加系统鲁棒性。所以最终我们的设计中,在皮肤上的部分全部是软性贴片,没有任何电池和基于硅的芯片。

DeepTech:这项研究的突破体现在哪些地方,以及此研究的挑战主要在哪里?

牛思淼:最大的突破在两个方面:

第一是在设计概念上,使用了无线传输代替有线连接,这样整个系统中软的部分和硬的部分被物理上隔开,通过无线传输的方法实现两部分的通讯。

第二是工程实现上,传统的 RFID 设计不能够满足皮肤上柔软天线的鲁棒通讯要求。我们发现,因为自身的柔软性,皮肤上柔软天线的共振频率和品质因子会随着天线的变形有巨大的漂移。传统的 RFID 设计要求应答器的天线频率稳定在 13.56 MHz,并且品质因子一般来说需要大于10 - 20。在这种使用柔软天线的情况下,使用传统 RFID 设计,整个 RFID 的无线传输在天线变形后无法正常进行。所以我们的工作很重要的一个方面是开发了一个非传统的 RFID 系统,解决了这个软天线 RFID 的独特问题。

此外,这篇文章中,我们报道了第一个固态的可拉伸的能够应用于13.56 MHz RFID 通讯的柔软天线,之前这种天线只能使用液态金属来实现。

DeepTech:与智能手机的传感器相比,这款传感器为什么会精准度更高?

牛思淼:我们使用的传感器是柔软可拉伸的,因此传感器可以和皮肤充分贴合,这就可以提供更高的传感精准度和更好的采集信号信噪比。

DeepTech:除了脉搏、呼吸等参数,这款传感器还能有哪些应用上的延伸吗?

牛思淼:我们现在正在开发第二代的皮肤传感器系统,目前进展非常顺利。我们的目标是整合可以测量皮肤温度、湿度、皮肤阻抗以及汗液的柔性传感器,这样可以大幅度扩展应用范围。

DeepTech:这个传感器的用户穿戴体验如何?如果用于商业,还需要做哪些改良?

牛思淼:穿戴体验还是非常好的,就像在皮肤上贴了一个创可贴一样,但我们用的基底材料比创可贴更软更薄。首先基底的厚度只有 400 微米,其次我们的材料是可拉伸的,会比创可贴更软。因此其舒适度比创可贴要好。

需要做的改良我们认为是以下几个方面:

首先是皮肤传感器方面。目前我们正在开发第二代皮肤传感器系统,主要目标是整合更多种类的传感器;还有就是希望能做到更小更薄,能够给用户更好的体验。

在 RFID 阅读器方面,我认为的改良更多是集成,现在的阅读器是用柔性打印电路板做的,如果能有公司感兴趣,我希望能够把全部的读取电路集成到一颗定制半导体芯片上,这样阅读器的体型和功耗都可以大幅降低。

此外目前的阅读器和传感器是一一对应,我们希望将来可以用一个衣服上的可打印的天线阵列来对应多个皮肤传感器,这样可以节省硬件的开销。

牛思淼简介

专访 | 斯坦福鲍哲南团队开发出无线皮肤传感器

图 | 牛思淼。(来源:斯坦福大学)

牛思淼,2011 年获得清华大学微电子专业学士学位,2016 年 5 月于佐治亚理工学院材料工程系获得博士学位,导师为王中林院士。现于斯坦福大学从事博士后研究,导师为鲍哲南院士。主要涉猎的研究方向包括能量收集器件以及柔性有机电子器件,在电子电路设计、柔性可拉伸导体和半导体器件以及系统集成方面有比较深厚的研究功底。


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