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  近年來，通過監(jiān)測生理信號用于便攜式、可穿戴、長期醫(yī)療保健和遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷的智能電子傳感技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。其中，表皮脈搏作為一種重要的身體信號，可以很好地用于醫(yī)療或自我調(diào)節(jié)。在用于脈搏檢測的各種壓力傳感器中，基于紡織材料的柔性壓力傳感器取得了很大的進(jìn)展，這歸因于紡織材料具有良好的柔韌性和變形能力，能夠承受剪切力、彎曲力和壓縮力。由于纖維之間的相互作用，紡織傳感器存在普遍的滯后效應(yīng)，這是幾乎所有類型的紡織品傳感器中最突出和不可避免的問題之一。

  為了實(shí)現(xiàn)紡織柔性壓阻器件在靈敏度、可重復(fù)性、線性度、滯后、響應(yīng)/弛豫時(shí)間和工作電壓方面平衡的性能，胡金蓮教授課題組提出了一種類DNA雙螺旋紗線結(jié)構(gòu)的超快響應(yīng)/恢復(fù)柔性壓阻傳感器以用于表皮脈搏監(jiān)測。該傳感器在靈敏度 (0.57 kPa ^-1)、響應(yīng)時(shí)間 (2 ms)、弛豫時(shí)間 (2 ms)、線性度 (4.9%)、波動性 (7.8%)、耐用性 (6000 次循環(huán)) 和滯后性(5.3%)等方面都表現(xiàn)出了平衡的性能。

圖1. 使用分層紡織結(jié)構(gòu)組裝的柔性壓力傳感器。（a）雙螺旋結(jié)構(gòu)的加捻紗線（插圖顯示meta-DNA 結(jié)構(gòu)）（b）和具有芯鞘結(jié)構(gòu)的纖維（c）。d-f) SEM 圖像顯示相應(yīng)織物 (d)紗線 (e) 和纖維 (f) 的表面形態(tài)。g) 夾層織物壓力傳感器的設(shè)計(jì)。該織物與聚萘二甲酸乙二醇酯 (PEN) 薄膜（綠色）、封裝凝膠（灰色）、叉指電極（黃色）和聚酰亞胺（PI）基材（藍(lán)色）結(jié)合在一起。h) 紡織傳感器顯示出良好的柔韌性。i) 用膠布繃帶組裝的紡織傳感器原型。

  導(dǎo)電織物由芯鞘纖維、加捻雙螺旋紗線到平紋針織物制成的自下而上的分層紡織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其可以靈活地組裝成膠布繃帶中的傳感器。將制備的導(dǎo)電織物剪裁成特定尺寸并與其他傳感器單元集成以形成夾層結(jié)構(gòu)，如圖1g所示。然后，將紡織層組裝在一對定制的軟金電極上，這些電極早先沉積在薄的PI基板上。隨后對紡織單元進(jìn)行凝膠封裝，傳感器結(jié)構(gòu)由PEN薄膜覆蓋。

圖2. 使用/不使用加捻紗線的不同紡織傳感器特性。

圖 3. 紡織傳感器性能及其在表皮脈搏檢測中的應(yīng)用. a) 紡織傳感器的超快響應(yīng)/松弛時(shí)間（1kHz采樣率）。b)作為響應(yīng)時(shí)間函數(shù)的基于紡織品的壓力/應(yīng)變傳感器的RI。c)在30到100 kPa的三種不同壓力下在1Hz觸發(fā)（每秒1個循環(huán)）下測試的紡織傳感器的耐用性。d)紡織傳感器對谷物裝載和卸載的電流響應(yīng)。e)通過紡織傳感器檢測頸部或手腕上的表皮脈搏。f)運(yùn)動前后監(jiān)測手腕脈搏信號。g)從正常女性志愿者和診斷為竇性心動過緩的男性志愿者收集的手腕脈搏信號。h)根據(jù) (g)的結(jié)果，每個完整循環(huán)中的相關(guān)信號峰值。P₁和P₂分別是沖擊波和潮汐波。ΔT是沖擊波和潮汐波之間的時(shí)間。i) 正常女性志愿者和診斷為竇性心動過緩的男性志愿者之間的AI和 ΔT 的比較。

圖 4紡織傳感器在中醫(yī)中的潛在應(yīng)用。a) 1×3 傳感器陣列附著在“寸”、“關(guān)”和“尺”位置用于脈搏檢測。b) 不同壓力下“關(guān)”位置的脈搏信號，由腕帶調(diào)節(jié)以模擬脈搏期間的“浮”、“中”和“沉”三個壓力級別觸診。

  與其他紡織傳感器相比，該工作沒有添加額外的彈性體而基于獨(dú)特的雙螺旋結(jié)構(gòu)就呈現(xiàn)出令人印象深刻的快速響應(yīng)/恢復(fù)能力。該紡織傳感器能夠檢測不同身體位置（例如頸部和手腕）的脈搏信號，以及運(yùn)動前后細(xì)微的脈搏變化，同時(shí)利用傳感器陣列模擬中醫(yī)中對寸、關(guān)、尺位置的脈搏觸診，有利于推進(jìn)中醫(yī)脈診現(xiàn)代化發(fā)展，對醫(yī)療保健監(jiān)測表現(xiàn)出的巨大潛力。

  該研究以“Ultrafast-Response/Recovery Flexible Piezoresistive Sensors with DNA-Like Double Helix Yarns for Epidermal Pulse Monitoring”為題發(fā)表在Advanced Materials上。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202104313

  下載：Ultrafast-Response/Recovery Flexible Piezoresistive Sensors with DNA-Like Double Helix Yarns for Epidermal Pulse Monitoring