Science Advances：全織物摩擦納米發電機壓力傳感及健康監測智能服裝及系統

根據世界衛生組織統計數據顯示，心血管疾病已成為威脅人體健康的“第一殺手”，全球5690萬例死亡人群中，約有1790萬人死于心血管疾病，占全球死亡總數的31%，其中，85%死于心臟病和中風，我國也是心血管疾病大國，心血管病患病人數達2.9億。面對心血管疾病的威脅，人們從最初的“治已病”轉向聚焦“治未病”，實現疾病的早發現、早預防、早治療。臨床上采用的大多數檢測方法由于其昂貴的價格、笨重的器械不適合疾病的預防監測，可穿戴式技術作為一種新興的健康監測手段，可以實現對心血管相關生理參數的實時、連續監測。

2015年，中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士和重慶大學楊進教授團隊以人體脈搏作為監測對象，通過仿生耳膜結構結合摩擦納米發電機工作原理，研制了采用柔性薄膜基底的人體體表脈搏壓力傳感器，成功獲得了體表脈搏壓力信號（Adv. Mater. 2015, DOI: 10.1002/adma.201404794），隨后，研究了系列薄膜式脈搏壓力傳感器和心血管健康監測技術，其中包括人體傳感監測網絡（2017, ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.7b02975）、無繡帶血壓監測（Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201806388）、手指端脈搏監測（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, DOI: 10.1021/acsami.9b12747）等。這些器件和技術成功實現了對心血管系統健康狀態的AIx、RI、PWV和血壓等參數監測。然而，與其他可穿戴柔性傳感器一樣均需要基底進行支撐，透氣和舒適性不夠，長期使用可能會使佩戴者皮膚不適。在這樣情況下，如何同時保證可穿戴電子的傳感性能和舒適性還需在傳感機理、材料和結構上深入研究。

針對上述問題，2020年3月，研究團隊在Science Advances上發表了題為“Machine-knitted washable sensor array textile for precise epidermal physiological signal monitoring”的研究論文，報道了一種基于摩擦電納米發電機的多功能壓力全織物傳感器，具有可工業化批量編織、耐機洗、重復使用、高靈敏度傳感和穿戴舒適等性能。以制備的導電和尼龍紗線為傳感織物材料，采用畦編的機器編織方法制備出全織物傳感器，壓力靈敏度為7.84 mV/Pa，響應時間為20ms。該織物傳感器可獨立編織成頸帶、護腕、襪子和手套，對脖子、手腕、腳踝和手指等不同身體部位處的脈搏進行探測，同時，也可以方便、輕松地和衣物編織在一起，形成具有傳感功能的智能服裝，用于呼吸和脈搏的多功能傳感，這兩類重要生理信號的監測可實現睡眠呼吸暫停綜合癥和心血管疾病的實時、長期監測，在個性醫療、治未病等方面有著廣泛的應用前景。該研究工作得到了國家自然科學基金等項目資助。

【圖文簡介】

圖1 全織物傳感器結構與制備

(A) 縫制在袖口和胸口的傳感器監測呼吸和脈搏；

(B) 傳感器與衣服編織示意圖；

(C) 導電紗線實物照片及SEM圖；

(D) 尼龍紗線實物照片及SEM圖；

(E) 織物傳感器機器編織；

(F) 不同顏色的傳感器照片；

(G) 縫制了兩個傳感器的智能衣服。

圖2 全織物傳感和服裝用于體表脈搏和呼吸生理信號實時、長期監測

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(A) 放置在胸部的傳感器測量呼吸的照片；

(B) 放置在胸部的傳感器電壓-時間關系圖；

(C) 將信號(B)分解為心臟搏動和呼吸波形；

(D) 睡眠期間，在胸部和手腕分別放置兩個傳感器測量呼吸和脈搏；

(E) 健康人的呼吸和脈搏信號；

(F) 睡眠呼吸暫停綜合征患者的呼吸和脈搏信號；

(G) 健康人的呼吸信號和脈搏傳導時間變化；

(H) 睡眠呼吸暫停綜合征患者的呼吸信號和脈搏傳導時間變化；

(I) 脈搏傳導時間覺醒指數與呼吸不足指數(AHI)的關系。

文獻鏈接：Machine-knitted washable sensor array textile for precise epidermal physiological signal monitoring (Science Advances, 2020, DOI: 10.1126/sciadv.aay2840)