清华大学深圳国际研究生院、新加坡国立大学：研发新型的超材料生物传感器件最新设计制备

研究背景

随着交通运输的快速发展和汽车数量的激增，交通安全问题日益受到关注。根据统计数据，人类因素如嗜睡、疲劳等每年导致美国约10万起交通事故，严重影响了公众的生命安全和社会稳定。因此，研究如何提高驾驶安全性，尤其是通过监测驾驶员的生理状态，成为了一个重要的研究领域。在这一背景下，生物传感器技术作为一种新兴的监测手段，引起了科学家的广泛关注。

生物传感器是能够检测生物标志物并提供实时反馈的设备，主要用于监测人体的心率、呼吸等生理信号。传统的生物传感器往往需要与皮肤直接接触，这在汽车等动态环境中面临着诸多挑战。具体来说，车辆在行驶过程中会产生振动和运动，使得传感器难以稳定地贴合皮肤，导致数据采集不准确。此外，现有技术如摄像头监测也面临光照变化、隐私问题以及无法直接捕捉生理状态的局限性，这些因素都严重制约了生物传感器在汽车环境中的应用。

研究内容

为了克服这些问题，清华大学深圳国际研究生院田曦助理教授、新加坡国立大学何思远（John S. Ho）副教授团队携手提出了一种新型的超材料生物传感器。这种生物传感器可以无接触地监测生理信号，通过巧妙的设计，它能够在动态环境中捕捉心跳和呼吸信号。具体而言，该传感器利用数字刺绣技术制造而成，采用导电纱线，能够柔软地贴合在安全带上，适应用户的活动并有效捕捉生理运动。同时，它还能够通过无线信号与身体之间的近场交互，增强信号的灵敏度，从而减少运动伪影和信号干扰的影响。

本研究的主要目的是解决现有生物传感器在动能环境中无法有效捕捉生理信号的问题。通过在航空客舱模拟器和真实汽车环境中的实验，研究者们验证了该超材料生物传感器在连续监测心率和呼吸方面的有效性，并展示了其在不同环境条件下的鲁棒性。这一成果不仅为汽车行业提供了一种新的安全监测手段，也为生物传感器技术的发展提供了新的思路和方向。因此，该研究在提升交通安全、降低事故风险方面具有重要的应用前景。

图文导读

（1）实验首次开发了一种超材料生物传感器，能够在动能环境中无接触地捕捉心肺信号。该生物传感器通过数字刺绣技术制造，集成于安全带中，利用无线信号与身体的近场交互来监测生理参数。

（2）实验通过在航空客舱模拟器中进行的系列测试，验证了生物传感器的有效性。结果显示，该传感器能够连续监测心率和呼吸，且在多种不同的衣物材料和厚度下依然保持高精度。尤其是在驾驶环境中，传感器的准确性未受到振动和随机运动的显著影响，与静态环境相比，降幅最小，显示出其在动态应用中的可靠性。

（3）此外，研究表明，该生物传感器具备长达一小时的持续监测能力，可用于评估驾驶员的警觉性和健康状况，从而有助于减少因疲劳或其他健康问题引发的交通事故。综上所述，本研究为无接触生物传感器在汽车安全中的应用提供了新的解决方案，具有重要的实用价值和广阔的市场前景。

图 1 |非接触式超材料生物传感器。

图 2|纺织超材料的生物传感器设计。

图 3|传感器布置的感测性能表征。

图 4|连续生理监测。

图 5|车内生命体征监测。

科学启迪

本文的研究揭示了超材料在生理信号监测中的巨大潜力，提供了新的思路来优化生物传感器的设计。首先，通过电磁仿真和传输效率分析，深入理解了超材料结构对信号捕获的影响机制，这为未来的传感器开发奠定了理论基础。其次，实时监测心率和呼吸频率的实验结果表明，超材料生物传感器能够在动态环境中有效捕捉生理信号，显示出其在日常生活中的广泛应用前景。

此外，本文还展示了如何将复杂信号处理与机器学习模型结合，提升监测精度和数据分析能力。这不仅拓展了超材料技术在生物医学领域的应用范围，也为其他新型传感器的研究提供了启示。通过将先进材料与智能算法相结合，未来有望实现更加精准的健康监测和个性化医疗服务。总之，本文的研究不仅推动了超材料技术的发展，也为未来生理信号监测技术的创新提供了重要参考，展现了跨学科研究的无限可能。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41928-024-01263-4

来源：客低维材料前沿

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