仿生蛇皮激發了具有廣泛應變敏感性的可穿戴感測器的開發

人類的許多身體機能都透過面板的機械變形表現出來——從肌肉和關節的拉伸、彎曲和運動到手腕脈搏的顫動。這些機械變化可以透過測量全身不同部位的不同應變水平來檢測和監測。

近年來，很多注意力都集中在可穿戴感測器上，以測量這些應變以用於個人健康監測。其中一些感測器可以檢測高階 (40-100%) 應變，例如與手指和四肢關節運動相關的應變，其他感測器可以檢測中級 (10-40%) 應變，如吞嚥和麵部運動還有一些對手腕脈搏和聲帶振動中觀察到的低水平 (<1%-10%) 應變敏感。

由於其最高水平的導電性和穩定性，這些型別的感測器非常受歡迎的材料是 PEDOT:PSS 或聚（3,4-亞乙基二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸鹽。以前，已經開發出非常靈敏的 PEDOT:PSS 應變感測器，可以檢測來自非常微小的運動 (<1%) 的應變，但 PEDOT:PSS 薄膜固有的拉伸性較差，因此在用於測量較大應變時會導致效能和功能水平下降(>20%)。透過新增有彈性的聚合物或彈性體來解決這個問題的嘗試導致了增加的彈性，但降低了檢測小應變的靈敏度。

近日，西安交通大學生命科學與技術學院生物醫學資訊工程教育部重點實驗室聯合加州大學洛杉磯分校生物工程系、香港大學及日本寺崎生物醫學創新研究所的一個協作團隊透過設計一種可有效檢測各種應變的可穿戴應變感測裝置來應對這些挑戰。

為了最大限度地發揮這種感測器的彈性，研究人員從自然界中發現的一個例子中汲取靈感。眾所周知，蛇在吞食獵物時能夠伸展到正常體型的數倍。在仔細檢查蛇皮後，研究人員觀察到蛇皮上覆蓋著重疊的鱗片。當施加壓力時，這些鱗片會相互滑過，並被置換成分離的鱗片，面板散佈在它們之間。這賦予面板非凡的彈性。

研究人員在製造感測器時使用了這種設計理念。塗上一層薄薄的 PEDOT:PSS 並烘烤到彈性體膠帶上。然後將該層拉伸至實驗最佳化的 50% 應變水平。該過程導致裂縫和微尺度碎片的形成，或在層表面形成"孤島"，其中散佈著 PEDOT:PSS 區域。這些暴露的區域用作粘合點，用於應用第二層 PEDOT:PSS 薄層。一旦應用，第二層被進一步拉伸到 100% 的應變水平，從而產生額外的島嶼和區域，與第一層的島嶼和區域自然對齊。當從拉伸中釋放出來時，會形成一個帶有重疊島嶼的結構，模仿蛇的鱗片結構。

"這種感測器開發的關鍵在於其新穎的結構設計，"首席研究員張世明博士說。"這使我們的裝置能夠以高靈敏度測量各種應變水平。"

PEDOT:PSS 雙層被固定在一層水凝膠上；選擇柔軟的凝膠狀水凝膠作為底層，因為它可以貼在受試者的面板上，並提供生物相容性和可穿戴舒適性。將銅線和彈性體密封件新增到感測器中，並進行了各種實驗以測試其檢測各種應變的能力。

發聲和吞嚥實驗

在低範圍應變測試中，手腕脈搏的測量是在休息時和運動後進行的。在發聲和發聲期間，還測量了頸部面板和組織的運動。為了檢測中度應變，在吞嚥過程中測量眉毛運動和喉部的上下運動。在高水平應變測試中，測量了不同程度的肘部彎曲。

實驗結果表明，TIBI 感測器產生了明確定義的訊號，其靈敏度範圍為兩個數量級。這些訊號準確地反映了檢測到的相應運動的度數和角度。此外，該感測器還表現出優異的導電性、耐用性和再現性。

總結與應用展望：

面板變形的可穿戴監測提供了有關健康狀況的深刻資訊。然而，實現具有低檢測限和高最大感測值的寬範圍感測一直具有挑戰性。在這項工作中，製造了雙層微裂紋 PEDOT:PSS 薄膜來模仿蛇皮的鱗片。由此產生的感測器可以以高解析度檢測大範圍應變。此外，水凝膠層用於連線裝置和面板，以獲得更好的生物和機械相容性。受益於這些優點，這些感測器在檢測面板的各種變形以進行可穿戴健康監測方面表現出色。

這種廣泛的可穿戴感測器的多功能性可應用於無數生物醫學需求，例如監測心臟或迴圈功能，幫助發聲或吞嚥困難的受試者，或用於身體康復和運動表現評估。它還可以用於諸如改善在嘈雜環境中工作的人的交流或監控與面部表情相關的心理狀況等創造性應用。