通过丝网印刷制作的柔性传感器应用

据麦姆斯咨询报道，美国加州大学圣地亚哥分校的研究人员在邮票大小的柔性表面上通过丝网印刷制作了一种柔性传感器，能够将一对真无线立体声（TWS）耳机变成能够记录大脑电活动以及身体乳酸水平的健康监测工具。这种传感器还能够与耳机通信，然后耳机将捕捉到的数据无线发送到智能手机或笔记本电脑，以便进行数据可视化和更详细的分析。这些信息对于长期健康跟踪以及识别慢性神经疾病非常有意义。

该传感器由加州大学圣地亚哥分校的一支多学科工程师团队合作开发，旨在为监测大脑活动和汗液水平提供一种更方便的替代方案。值得注意的是，该传感器可以在用户的日常活动中使用，包括体育锻炼。虽然耳内监测的概念并不新鲜，但将大脑信号和身体信号采集整合在一个单元中还是首次。研究人员认为，由于耳机应用非常普遍，因而能够为更轻松、更方便地收集健康数据提供机遇。该研究成果已发表于2023年10月份的Nature Biomedical Engineering期刊。

这种创新的传感器可以从脑电图（EEG）中收集数据，还可以测量乳酸（一种在运动过程和典型代谢中产生的有机酸）。这些数据具有多种潜在应用，例如诊断不同类型的癫痫发作，或评估体力和压力水平等。该团队通过商用脑电图设备和含有乳酸的血液样本测试了其传感器，发现其传感器具有同样可靠的性能。然而，目前存在一个缺点是，只有当用户出汗时才能收集到有意义的乳酸数据，而这通常需要在用户锻炼时才能捕捉。未来的研究旨在消除这一限制。

为了实现耳内收集脑电图信号，研究人员不得不设计更小、更紧凑且适配耳机的电极来收集电生理信号。他们还必须找到一种合适的材料来收集汗液并感测乳酸。在对人类受试者进行初步实验后，研究人员确定收集并记录乳酸数据的最佳位置是耳屏，这里是汗液积聚的耳朵入口处。该团队还从过去的经验中获悉，要收集脑电图数据，需要指向颞叶的高性能生理电极。

研究人员介绍称：“主要的技术挑战不仅是在耳朵里安装两个传感器（耳道是一个因个体而异的狭小空间），而且还需要可靠地捕捉脑电图和乳酸信号。另外，还必须考虑耳机的集成，减少串扰。为此，我们设计了一种类似邮票的可拉伸传感器，可以很方便地附着在耳机上，并且具有我们需要的所有必要功能，提供了足够的设计自由度。”

为了确保电生理传感器与耳朵牢固接触，研究人员设计了一种3D弹簧承载传感器，可以使传感器保持接触，并能随着耳机的移动进行调整。另一方面，为了改善汗液收集，研究人员用透明水凝胶膜覆盖其电化学传感器。据称，水凝胶像海绵一样，且具有亲水性，它可以充当耳朵皮肤和传感器之间的机械缓冲，还有助于收集汗液。

由于耳朵内部空间有限，很难避免两个传感器之间的串扰。研究人员分析了各种材料选择和结构设计，并验证了用两个相隔两毫米的传感器同时记录脑电图和乳酸信号的可行性。

此外，该团队重点考量了直接在设备内部进行数据处理，最终目标是将处理后的数据无线发送到计算机或智能手机。他们还设想在耳内传感器的功能中添加其它传感指标，如氧饱和度和葡萄糖水平等。长远来看，研究人员认为这些拓展有助于迈向创新的医疗诊断方法。例如，未来的耳机、手表和手机等可穿戴设备，可以全天候无缝跟踪各种大脑和身体信号，从而增强用户的整体健康和体能。

加州大学圣地亚哥分校Shu Chien Gene Lay生物工程系教授Gert Cauwenberghs说：“能够在不影响用户舒适度和行动能力的入耳式集成设备中测量大脑认知活动和身体代谢动态，这必将为提高所有年龄段人群的健康水平开辟巨大机遇。”

审核编辑：黄飞