清华大学：研发的基于应力激励的仿生表皮传感吸盘可用于个性化心血管监测

性化心血管监测在心血管疾病的早期发现和管理中发挥着至关重要的作用。然而，目前的无创监测方法面临着传感器-皮肤界面不稳定、生理和解剖差异以及难以平衡准确性和舒适度等挑战。

2025 年 9 月 25 日，清华大学生物医学工程学院李舟、邹洋共同通讯在Advanced Functional Materials上在线发表题为“A Biomimetic Epidermal Sensing Sucker via Stress Excitation for Personalized Cardiovascular Monitoring”的研究论文。受章鱼吸盘力学的启发，研究提出了一种仿生表皮传感吸盘 （BESS），它将适形生理传感与原位压力调制相结合。


通过负压吸附实现与动脉部位的稳定附着，同时通过自适应压力调制增强脉冲信号的幅度以实现最佳检测，有效解决个体间差异。BESS借用中医脉搏触诊，施加增量垂直压力，在局部动脉血管中诱导应力激发，捕捉脉搏振荡波，量化传统脉搏诊断信息。利用BESS获得的丰富脉搏特征，通过机器学习将经典示波法与脉搏波特征分析相结合，开发了一种无袖带血压（BP）估计系统，在不阻塞动脉血流的情况下实现高精度（收缩压为1.36±3.81 mmHg，舒张压为1.15±2.94 mmHg）。仿生学和智能传感技术的跨学科整合为个性化心血管监测提供了一条充满希望的途径，具有平衡的准确性、舒适性和可解释性。


目前，心血管疾病（CVD）是最常见的导致人类死亡原因。个性化的心血管健康监测对于CVD的早期预警和长期管理至关重要。脉搏生理信号提供了对血流动力学参数的实时洞察，可作为评估心脏泵送功能、循环状态、虽然可穿戴技术已经实现了无创脉搏监测，但是它们通常受到皮肤和传感器之间的界面的稳定性的限制，个体间动脉解剖结构的变化，以及在正常条件下信号特征缺乏多样性，使得满足临床需求具有挑战性。


由于性别、年龄、身体脂肪等的差异，脉搏深度和强度在个体之间可能存在显著差异。因此，为了实现跨个体的脉搏信号的有效检测，将传感器固定到身体表面的方式，与皮肤的适形接触的紧密性。脉诊是中医学的基本技术，通过调整在脉搏触诊期间施加的压力以感知脉搏信号的细微差异，可以用于确定个体的健康状况。虽然这种方法方便有效，但它依赖于中医从业者的经验和主观判断。此外，缺乏标准化的脉诊分析范式阻碍了中医脉诊经验向循证医学的转化。血压（BP）是心血管监测的另一个重要指标，有助于及时识别高血压等危险因素，这有助于预防严重并发症。人体脉搏与BP有内在联系，脉搏波形的分析可以间接评估BP波动，但是在实际应用中仍然面临可解释性和准确性方面的挑战。总体而言，一类方法集中于研究当施加动态压力时的总体脉搏变化，而二类捕获恒定状态下个体脉搏波的详细表征。结合这两种方法的优点可能是突破现有BP检测的准确性、适用性和便利性的潜在解决方案，其在于在精确地感测脉搏变化的同时向动脉部位施加受控压力负荷的能力。


章鱼吸盘具有独特的漏斗和突起形态，可以通过精细的肌肉控制在各种表面上进行共形吸附，加压和自由分离，激发了一系列创新研究。灵感来自章鱼吸盘的结构力学和基于中医脉诊的基本原理，研究者研制了一种仿生表皮传感吸盘（BESS），该装置将适形生理传感与原位压力调节无缝集成，便于个体之间的自适应心血管监测。通过模仿章鱼吸盘的负压吸附和主动加压机制，BESS通过可控的原位压力加载实现了在各种动脉部位上的稳定附着和适形感测。自适应压力调制能力显著增强了脉搏信号幅度约三倍，解决脉搏检测中的个体间差异，以优化测量一致性。BESS借鉴中医脉搏触诊，通过向表皮施加递增的垂直压力来捕获动脉振荡波，进一步分析连续加压过程中脉搏信号的响应特征，能够定量表征传统的脉搏诊断方法。

图1 仿生自适应脉搏压力传感器（BESS）及智能血压测量系统的设计（摘自Advanced Functional Materials）


利用这些进步，研究还开发了一种新型的无袖带BP估计系统，该系统将经典的脉搏波测量与脉搏波特征分析相结合。该系统通过采用原位局部应力激励策略，在不阻塞动脉血流的情况下有效地捕获脉搏振荡波。使用机器学习建立了鲁棒的BP相关模型，在保证可解释性的同时实现了高精度（收缩压为1.36±3.81mmHg，舒张压为1.15±2.94mmHg）。通过弥合脉搏动力学和BP估计之间的差距，BESS为个性化心血管健康监测提供了全面的解决方案。

参考消息：

https://doi.org/10.1002/adfm.202514598

来源：iNature