Nano energy: 受機械感受器啟發的入耳式摩擦電傳感器用于無約束的生理監測和人機交互
01 導讀
近年來，可穿戴技術受到了極大的關注，因為它有可能徹底改變我們監測健康和與技術交互的方式。特別是可穿戴傳感器一直是研究的焦點，因為它們可以提供生命體征、身體活動和其他健康相關參數的實時數據。大多數報道的設備需要粘合劑或繃帶形式的額外支撐才能附著在皮膚上，從而增加了它們對身體的干擾或不適。此外，這些設備通常佩戴在進行劇烈運動的身體部位，例如手指、膝蓋、肘部和手腕，以監測身體活動或生理信息，這仍然會限制運動和活動能力。此外，龐大的后端信號處理電路阻礙了這些可穿戴設備的小型化集成和商業化。
02【成果掠影】
耳戴式設備由于其穩定的佩戴位置和與耳道的良好貼合的結構，具有非侵入性、不顯眼、固定牢固、減少運動偽影等眾多優點，從而使其成為有效解決問題的理想解決方案。新加坡南洋理工大學(NTU) Wei Lin Leong團隊提出了提出了一種受機械感受器啟發的耳戴式摩擦電傳感器，它可以實現不受約束的面部表情監測，例如眼睛和嘴巴的運動，以及演示僅基于眼球運動的免提打字系統。低功耗有機電化學晶體管的集成高輸出電流可以將摩擦電傳感器的電流信號放大至少3個數量級，從而能夠準確提取耳道內脈搏波刺激的微小壓力變化。此外，有機電化學晶體管賦予的信號保留能力可實現擴展的控制模式，這在眼觸發音樂播放控制系統中得到了證明。該工作展示了耳戴式摩擦電傳感器在無障礙健康監測和無縫人機交互方面的巨大潛力。
03【核心創新點】
1 開發了一種不受約束的耳戴式機械感受器傳感器，用于生理監測和人機交互應用。
2 引入互鎖微結構和摻雜離子液體實現了高性能摩擦電傳感器。
3 集成 OECT 將摩擦電傳感器電流輸出提高了 3 個數量級。
04【數據概覽】
圖1 . OECT 集成 PVDF-HFP/離子液體摩擦電傳感器 (PILTS) 的設計。a，OECT集成摩擦電耳戴式傳感器的總體概念，用于耳內脈沖監測和基于表情的人機交互。b，通過將離子液體嵌入PVDF-HFP基質中實現的離子聚合物。c，使用PET模板通過二次反轉制備具有微圓頂結構的聚合物薄膜的工藝示意圖。d、光學顯微鏡具有微圓頂結構的PET模板、具有微半球孔的PDMS模板、具有微圓頂結構的PVDF-HFP和具有微圓頂結構的TPU的圖像。比例尺：300 μm。e，通過將摩擦電傳感器組件集成到商用耳機上而制造的耳戴式傳感器。
圖2 . PILTS的工作機理和電氣性能。a，具有互鎖結構的摩擦電傳感器的方案。b，摩擦電傳感器工作機制示意圖。c，不同 IL 濃度下 PILTS 的電壓和 d，電流。e，不同IL濃度的PILTS在不同力下的電流響應。f，不同IL濃度的PILTS的靈敏度。g，PILTS在7.5 kPa的力下10,000次循環的穩定性。h，穩定性波形的第一個和最后幾個周期。
圖3 . 耳戴式 PILTS 可監控嘴和眼的運動，從而實現免提打字系統。a、通過耳戴式PILTS與世界交流的示意圖。b，張嘴和閉嘴時PILTS的電流。c，當說“Triboelectric”、“Sensor”和“Hello”時耳戴式傳感器的電流輸出。d，眼睛向上和向下時的 PILTS 電流。e、眼睛抬起一次、兩次、三次時的PILTS電流。f，通過耳戴式PILTS實現的免提打字系統的框架圖。g，基于 PILTS 的耳戴式免提打字系統的演示, 屏幕上的字是抬眼打出來的。h，免提打字系統演示中輸入的信號和字母之間的對應關系。
圖4 . OECT集成的耳戴式 PILTS 在眼動音樂播放中的應用 a，OECT 器件架構方案，顯示源極 (S)、漏極 (D) 和柵極 (G)。b，傳輸曲線，c，基于 PEDOT:PSS 的 OECT 的輸出曲線。d，OECT集成摩擦電傳感器電路圖。e，當 PILTS 受壓時器件的電荷分布，OECT 中較少的陰離子從電解質推入通道。f，PILTS釋放時器件的電荷分布，OECT中更多的陰離子從電解質被推入通道，導致通道電導更高。g，不同力下OECT的電流輸出。h、OECT集成的耳戴式PILTS音樂播放界面及演示。歌曲切換和音量控制是通過簡單的眼動觸發來實現的。i，眼觸發音樂播放系統的信號與眼動之間的對應關系。
圖5. OECT集成額耳戴式 PILTS 在耳內脈搏監測中的應用 a，帶有 PILTS 集成耳機的耳朵示意圖。b，示意圖說明耳動脈刺激引起的電荷分布變化，導致 OECT 通道電導的調節。c，通過 OECT 集成耳戴式 PILTS 進行 40 秒連續耳內脈搏監測。d，一個脈沖周期內電流信號的放大圖，具有 3 個峰值（P1-P3）。e，心率，f，根據 c 計算的 FFT。
05【成果啟示】
提出了一種不受人體約束的新型耳戴式摩擦電壓傳感器。摩擦電壓傳感器設計模仿人體皮膚的真皮-表皮互鎖結構，具有微圓頂互鎖結構，通過增加有效接觸面積來增加輸出。在摩擦材料 PVDF-HFP 中摻雜離子液體，通過在傳感器運行期間在薄膜內建立雙電層，進一步增強輸出。摩擦電傳感器無縫嵌入商用耳機的耳塞中，耳道壓力的變化導致耳塞變形從而產生摩擦電信號。在此基礎上，實現了不受約束的面部表情監控，例如眼睛和嘴巴的運動，并演示了僅基于眼睛運動的免提打字系統。OECT 與 PILTS 的集成無需龐大的信號處理電路，從而可以對電流輸出信號進行高度放大。進一步演示了入耳式脈搏監測，這為不受束縛的可穿戴生理監測系統提供了途徑。集成 OECT 的 PILTS 還具有信號保留功能，可以簡化基于表達式的 HMI 應用程序的操作。這種耳戴式傳感器顯示出集成到當前商用耳機中并擴展到更全面的交互場景的潛力。尤其是這種耳戴式傳感策略，體現了對身體殘疾人士的人文關懷。基于耳戴式傳感器的脈搏波監測為無創、無約束的可穿戴生理健康監測提供了一條新途徑。
原文詳情：He, Q., Zhou, Z., Chen, S., Tang, C. G., & Leong, W. L. (2023). Mechanoreceptor-inspired in-ear triboelectric sensor for unconstrained physiological monitoring and human–machine interaction. Nano Energy, 108900.
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