科学家用3D打印、纳米技术为可穿戴设备打造灵活耐用橡胶石墨烯传感器

研究人员利用3D打印技术和纳米技术，为可穿戴设备制造了一种既耐用又灵活的传感器，可用于从监测生命体征到追踪运动表现等一切情况。

这项新技术由滑铁卢大学工程师开发，将硅橡胶与超薄石墨烯层结合在一起形成一种新材料，是制作腕带或跑步鞋鞋垫的理想材料。

当橡胶材料弯曲或移动时，高导电性的纳米级石墨烯就会产生电信号，这种石墨烯嵌在其设计的蜂窝状结构中。

“硅树脂为我们提供了生物监测应用所需的灵活性和耐久性，而添加的嵌入式石墨烯使其成为一种有效的传感器。” 滑铁卢大学多尺度增材制造(MSAM)实验室的研究主任Ehsan Toyserkani说，“这一切都集中在一个单一的部分。”

只有使用最先进3D打印技术——也被称为加法制造——的设备和工艺，才能制造出具有如此复杂内部特征的硅橡胶结构。

这种橡胶-石墨烯材料除了具有高导电性外，还具有极高的柔韧性和耐用性。

“它可以在最恶劣的环境中使用，即使是在极端的温度和湿度下。”滑铁卢大学工程学博士生、该项目负责人埃尔哈姆?达乌迪(Elham Davoodi)说。“它甚至可以能跟你的衣服一起洗。”

这种材料和3D打印工艺使定制的设备能够精确地适合用户的体型，同时与现有的可穿戴设备相比也提高了舒适度，并由于简单而降低了制造成本。

Toyserkani是机械和机电工程的教授，他说这种橡胶石墨烯传感器可以与电子元件搭配使用，制成可穿戴设备，记录心率和呼吸频率，记录运动员跑步时施加的力量，让医生远程监控病人，以及其它许多潜在的应用。

来自加利福尼亚大学、洛杉矶分校和英属哥伦比亚大学的研究人员共同参与了这个项目。

这项研究的最新系列论文《为可穿戴生物监测制作3D打印超坚固表面掺杂多孔硅传感器》发表在《ACS Nano》杂志上。

可穿戴式传感器的发展

随着过去几十年卫生保健的改善，如今，工业化国家的居民寿命更长，但健康状况往往复杂多样。急性创伤的存活率也有所提高，但这与严重残疾患者数量的增加有关。从流行病学的角度来看，美国“婴儿潮”一代现在已经到了开始对医疗保险制度产生严重压力的年龄。不止是美国，高度工业化国家的医疗保健系统都将面临类似的严峻挑战。

这些变化的人口结构提出了一些基本问题：我们如何照顾越来越多患有复杂疾病的人?我们如何为那些无法获得医疗服务的人提供高质量的医疗服务?我们如何最大限度地提高越来越多的老年人的独立性和参与性?

显然，回答这些问题将是复杂的，需要我们改变组织和支付医疗保健的方式。然而，部分解决方案可能在于我们如何以及在何种程度上利用信息技术和相关领域的最新进展。目前，一些技术大有希望扩大卫生保健系统的能力，将其范围扩大到社区，改进诊断和监测，并最大限度地提高个人的独立性和参与性。可穿戴技术的远程监控系统就是一种，而且，最近可穿戴传感器系统的发展带来了许多令人兴奋的临床应用。

可穿戴传感器具有诊断和监测应用。它们目前的功能包括生理和生化传感，以及运动传感。生理监测可以帮助诊断和治疗大量患有神经、心血管和肺部疾病(如癫痫、高血压、阅读障碍和哮喘)的患者。基于家庭的运动感应可能有助于预防跌倒，并有助于最大限度地提高个人的独立性和社区参与。

对康复感兴趣的生理监测包括心率、呼吸频率、血压、血氧饱和度和肌肉活动。从这些监测中提取的参数可以提供健康状况的指标，具有极大的诊断价值。以前，只有在医院环境中才能对生理参数进行连续监测。但是今天，随着可穿戴技术领域的发展，精确、连续、实时监测生理信号成为可能。

在可穿戴系统中集成生理监测通常需要巧妙的设计和新颖的传感器定位。例如，Asada等人提出了一种用于测量血氧饱和度(SpO2)和心率的环形传感器设计。环形传感器是完全独立的。戴在手指上像戒指一样，它集成了减少运动伪影的技术，旨在提高测量精度。环形传感器的应用范围从高血压的诊断到充血性心力衰竭的治疗。随后，同一研究小组开发了一种独立的可穿戴式无袖光电脉搏波(PPG)血压监测仪。该传感器集成了一个基于两个微机电系统(MEMS)加速度计的新型高度传感器，用于测量PPG传感器相对于心脏的静水压力偏移。平均动脉血压来自于PPG传感器输出振幅，它考虑了传感器相对于心脏的高度。

另一个巧妙设计的例子是Corbishley等人利用小型可穿戴式声传感器(如麦克风)开发测量呼吸频率的系统。将麦克风置于颈部，记录与呼吸相关的声学信号，通过带通滤波得到信号调制包。通过开发过滤环境噪声和其他人为干扰的技术，研究人员成功地达到了90%以上的呼吸率测量精度。此外，他们还提出了一种基于上述传感技术的呼吸暂停检测算法。

近年来，柔性电路领域的发展和传感技术与可穿戴设备的融合，使生理监测受益匪浅。Patterson等人介绍了一种用于心率监测的耳戴式、柔性、低功耗PPG传感器。由于传感器的位置和不显眼的设计，它适合长期监测。虽然这种类型的系统已经显示出有希望的结果，但似乎需要进行额外的工作来实现运动伪影的减少。适当降低运动伪影对可穿戴传感器的部署至关重要。一些由于运动产生的问题可以通过将传感器集成到装套中来最小化。Lanata等人对不同穿戴式呼吸功能监测系统进行了比较分析。分析结果表明，压电气体造影比肺活量法具有更好的检测效果。尽管如此，在信号处理技术的进一步发展，以减轻运动伪影是有需要的。

生物化学传感器近年来引起了可穿戴技术领域研究人员的极大兴趣。这些类型的传感器可用于监测生物化学以及大气中化合物的水平(例如，便于监测在危险环境中工作的人)。从设计的角度来看，生化传感器可能是最复杂的，因为它们通常需要收集、分析和处理体液。穿戴式生化传感器领域的研究进展缓慢，但随着微纳米制造技术的发展，近年来研究的步伐有所加快。例如，Dudde等人开发了一种微创可穿戴闭环准连续药物输注系统，可以测量血糖水平并自动注射胰岛素。葡萄糖监测器由一种新型的硅传感器组成，它利用微灌注技术连续测量葡萄糖水平，而胰岛素的持续输注是通过一种改良的高级胰岛素泵实现的。该设备集成了蓝牙通信功能，用于显示和记录数据，并接收来自个人数字助理(PDA)设备的命令。

在欧盟委员会的支持下，作为BIOTEX项目的一部分，一系列生物化学传感器已经被开发出来。具体来说，BIOTEX项目涉及将生化传感器集成到纺织品中，用于监测体液。在这个项目中，研究人员开发了一种基于纺织品的流体收集系统和传感器，用于体内外测试人体汗液的pH值、钠和电导率。通过可穿戴系统的体内外测试，研究人员已经证明，该系统可以用于体育活动中汗液的实时分析。

作为一个类似项目ProeTEX的一部分，Curone等人为消防员开发了一种可穿戴的传感服装，它集成了一个二氧化碳传感器来测量运动、环境和体温、位置、血氧饱和度、心率和呼吸速率。ProeTEX系统可以向消防员发出潜在危险环境的警告，并向控制中心提供有关他们健康状况的信息。上述项目开发的系统可用于设计用于远程健康监测应用的基于电子纺织的可穿戴系统。

与此同时，人们对开发“芯片实验室”系统越来越感兴趣。这样的系统可以通过使测试和诊断快速、廉价且容易获得，从而彻底改变医疗点测试和诊断。Wang等人开发了一种集成了pH值和温度传感器的系统芯片(SOC)，用于远程监控应用。他们的SOC包括通用传感器接口、ADC、微控制器、数据编码器和频移键控射频发射机。类似地，Ahn等人开发了一种低成本的一次性塑料芯片实验室设备，用于血液气体浓度和葡萄糖等参数的生化检测。该生物芯片包含一个用于检测多个参数的集成生物传感器阵列，并使用被动微流控系统代替主动微流控泵。