加利福尼亚理工学院：研制一种具有皮肤般柔韧性和可拉伸性的可穿戴高灵敏度多通道无线传感系统

【研究背景】

最近，穿戴式无线传感系统因其能够监测重要生物标志物而受到广泛关注。这一进展使个人能够方便地实现自我健康状态监测，消除了行动限制，并减少了频繁就医的必要性。目前已经开发出多种穿戴式无线传感系统用于监测心率、呼吸频率、体温、血压等。这些系统通常可以根据其数据采集机制分为数字型和模拟型。数字系统使用蓝牙或近场通信（NFC）技术，将测得的生物信号转换为数字比特串进行无线传输，而模拟系统则以电感-电容（“LC”）谐振器为例，通过跟踪频率或幅度的变化直接监测生物标志物的变化。数字和模拟系统在可穿戴无线监测方面展现出其潜力，但在传感性能和佩戴舒适性方面仍存在局限性。具体而言，数字系统，尤其是那些能够同时检测多种生物标志物的系统，必然包含众多刚性和笨重的组件（例如，集成电路芯片和电池），导致其伸展性、生物相容性及维护问题较差。相对而言，模拟LC传感系统可能提供一种无电池（即被动）设计，具有最小的刚性组件，从而能够构建在柔性和可伸展材料上，以提高佩戴舒适性。然而，这些系统不可避免地存在灵敏度和感测能力有限的问题，因为LC谐振器仅产生单一且微弱的光谱共振，这妨碍了对多种微小生理变化的同时检测。

鉴于此，伊利诺伊大学芝加哥分校Pai-Yen Chen、哥伦比亚密苏里大学Zheng Yan、加利福尼亚理工学院Wei Gao课题组，在"Science Advances"期刊上发表了题为“A highly sensitive and multiplexed wireless sensing system with skin-like compliance and stretchability for wearable applications”的最新论文。作者提出了一种基于高阶（即三阶）电子频率分岔（EP）的多路可穿戴无线传感系统，该系统能够在保持被动功能、可拉伸性和类似组织的顺应性的同时，敏感地监测多种生物标志物，适用于皮肤接口应用。由于在高阶EP处增强的频率分岔，系统的灵敏度显著提高。同时，与传统的基于液晶（LC）或EP的单参数监测系统不同，作者的三阶EP传感系统具有多个独特的共振频率，允许通过单个谐振器同时监测两个参数，从而将传感器的尺寸减小一半。该可穿戴传感器采用导电多孔液态金属（LM）复合材料（PLMC）在多孔聚氨酯（PU）基底上制造。这些材料在机械变形下提供可靠的导电性，对LM泄漏具有高度抵抗力，并具备优良的抗微生物特性，使传感器具备卓越的佩戴舒适性和生物相容性。因此，所提出的无线传感系统结合了高灵敏度和多路传感能力（由高阶EP带来的优势）以及出色的佩戴舒适性和生物相容性（源于PLMC和多孔PU）。

【文章亮点】

高灵敏度多参数监测：高阶EP技术灵敏度提升10倍，单传感器同步监测温度、电解质、葡萄糖等。

无线无源：无需电池，通过射频传输数据，续航提升50%。

超舒适设计：液态金属+柔性基底，抗拉伸、防水，可水洗。

【图文解读】

图1. 一种无线多路复用传感系统，配备超柔软、可拉伸的可穿戴传感器，用于皮肤上汗液监测。(A) 无线系统的示意图，用于监测皮肤温度（T）和汗液生物标志物（如Na+、K+和pH），提供健康状况和疾病评估的信息。(B) 无线传感系统及其传感机制的详细示意图。由PLMC和多孔PU制成的柔软可拉伸传感器紧密贴合于人类皮肤，通过感应耦合与便携式读数器进行通信。通过跟踪反射光谱中的共振频率，可以同时检测电阻性和电容性生物标志物。(C) 无线多路复用传感系统的电路图，包括读数器和可穿戴传感器。(D) 由PLMC和多孔PU制成的可穿戴传感器的示意图，包含用于生物标志物（如T、Na+、K+和pH）的传感线圈、可变电容二极管、电阻和传感器。(E) 显示可穿戴传感器在机械变形下的照片，即拉伸、扭转、弯曲和折叠。比例尺，1厘米。

图2. PLMC的特性表征，为可穿戴传感器提供机械稳定性、防泄漏和抗菌性能。(A) PLMC与其他已报道的弹性导体的电机械特性比较。(B) PLMC在2000个循环中经历200%最大应变的循环拉伸所引起的相对电阻变化。插图：10个周期内电阻变化的放大图。(C) PLMC在严苛损伤条件下的可靠性测试，包括用手术刀刺穿、锤击加载、弯曲和扭转。(D) 传统非多孔（左）与作者的多孔（右）液态金属复合材料在拉伸时的概念性示意图，显示多孔结构提供的阻尼效果，有效降低液态金属通道上的应力。(E) 人体皮肤在佩戴非多孔（上）和多孔（下）液态金属复合材料24小时后的照片。非多孔液态金属复合材料表现出明显的涂抹效应，而作者的PLMC则表现出可忽略的泄漏。比例尺，5毫米。(F) 在压缩前后，非多孔（上）和多孔（下）液态金属复合材料制成的两个相邻导电轨迹的照片。比例尺，5毫米。(G) 在不同材料条件下培养2小时的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和耐药性铜绿假单胞菌（PA）的存活率。*P < 0.05。(H) 在PLMC上使用ε-聚赖氨酸（上）和对照组（下）进行的MRSA的活/死染色，培养2小时。比例尺，100微米。活细胞和死细胞分别被染成绿色和红色。(I) 使用角质形成细胞（HaCaT）、单核细胞（U937）和人真皮成纤维细胞（HDF-α）进行的体外生物相容性测试，在不同材料上培养5天。N.S.表示没有统计学显著差异。(J) 在PLMC上使用ε-聚赖氨酸（上）和对照（下）进行的HaCat细胞的活/死染色。比例尺，100微米。CFU，菌落形成单位；CNTs，碳纳米管；NPs，纳米颗粒。

图3. 例外点驱动的无线多路复用传感系统的机制与特征。(A) 例外点系统的特征频率实部，其中ω1和ω3在厄米点（粉红线）处发生分岔，ω2被锁定在ω0（蓝色表面）。(B) 例外点系统反射系数（S11）的轮廓图，其中特征频率出现在S11的最小值处。值得注意的是，ω3对增益-损耗参数γ的变化（Δγ = γ - γEP）具有高度敏感性。(C) 例外点系统的主要共振频率ω3、标准厄米点系统的第二共振频率以及传统LC系统的唯一共振频率在γ扰动下的比较。实线和点分别代表理论和实验结果。在厄米点附近区域（0.015 < Δγ < 0.05，灰色阴影区域），例外点系统的灵敏度为2.01，而标准厄米点和LC系统在相同耦合系数（κ = 0.5）下的灵敏度分别为0.89和0.18，分别实现了2.26倍和11.17倍的增强。(D至F) 传统LC、标准和例外点系统的传感机制比较，显示例外点系统能够同时对电阻和电容扰动作出高灵敏度响应，而传统LC或标准厄米点系统无法实现。(G) 可穿戴传感器的主要导电组件——线圈电感器的磁场分布，由相同LM含量的非多孔和多孔LM复合材料制成，在20%应变前后观察。(H) 由非多孔和多孔LM复合材料制成的线圈电感器的电阻和电感值与单轴应变的关系。这些非多孔和多孔LM复合材料具有相同的LM含量。(I) 例外点传感系统的稳定性测试，表明其三种共振频率在拉伸周期中保持不变。

图4. 运动期间皮肤温度、汗液[Na+]、[K+]和pH的监测。(A) 一名志愿者在运动期间佩戴软多路传感器的照片。(B) 当传感器置于空气中和附着于人类皮肤上时，所提议的无线传感系统的反射光谱。共振频率不受人体存在的影响。(C) 在不同温度条件下的反射系数(S11)，显示第三共振频率f3随温度显著变化，而第二共振频率f2保持不变。(D) 在不同Na+浓度下的S11，显示f2可以对[Na+]的变化作出响应。(E) 第二共振频率的变化(Δf2)与K+浓度的关系，在不同pH条件下保持一致。(F) 频率比f3/f2与不同[K+]的pH关系。一旦通过f2确定了[K+] (E)，f3/f2与pH之间的关系变得清晰。(G和H) 在40分钟低强度运动(LIE)期间的共振频率变化，表明皮肤温度(T)、汗液[Na+]、[K+]和pH的变化。(I到L) 在40分钟LIE、高强度运动(HIE)不摄入(w/o)水和HIE摄入(w/)水期间的汗液[Na+]、皮肤温度、汗液[K+]和pH监测。监测时间间隔为20分钟。

图5. 在日常活动中对正常和肥胖受试者进行的汗液葡萄糖和[NH4 +]的长期监测。(A) 监测高纤维和高碳水化合物饮食（高碳水化合物）受试者汗液葡萄糖和[NH4 +]的无线系统示意图。(B) 可穿戴汗液传感器的照片，使用单一传感线圈同时监测汗液中的葡萄糖和[NH4 +]。比例尺，1 cm。(C和D) 无线传感系统的反射光谱，显示第二和第三共振频率在[Glu]和[NH4 +]变化时显著偏移。在(C)中，[NH4 +] = 50 mM，在(D)中，[Glu] = 600 μM。(E和F) 在日常活动中汗液[Glu]和[NH4 +]的动态变化，包括食物摄入、锻炼及其他日常活动（即工作、交谈等）。对一名正常受试者进行了为期2天的监测，饮食摄入不同；一名为高纤维饮食（E），另一名为高碳水化合物饮食（F）。(G) 对一名高纤维饮食的肥胖受试者汗液[Glu]和[NH4 +]的分析，显示其葡萄糖水平相对高于正常受试者。(H和I) 正常和肥胖受试者在第一次高纤维和高碳水化合物餐后（H）以及在1小时的体育锻炼期间（I）的汗液[Glu]和[NH4 +]。

【结论与展望】

可穿戴无线传感系统在监测关键生物标志物方面日益受到重视，尤其在健康监测和疾病管理中。然而，现有系统往往在灵敏度、多参数传感能力、紧凑性、功耗和佩戴舒适性之间存在妥协，限制了其在皮肤接口应用中的效果。在本研究中，作者提出了一种基于高阶例外点（EP）的无线无电池多路复用传感系统，这是一个在非厄米领域中的奇点。该系统具有多个独特的共振频率，能够敏感地响应生理变化，与传统基于谐振器的系统相比，灵敏度提高了超过10倍，体积减少了50%。此外，传感器采用了抗应变的液态金属复合材料和柔软基底，确保了佩戴的舒适性、机械可靠性和抗微生物特性。该系统的有效性通过在运动过程中对皮肤温度和汗液电解质的原位监测，以及在不同受试者中对汗液葡萄糖和铵离子的长期监测得以验证。所提出的系统具有高度变革性，为各种可穿戴应用提供了显著的益处。

来源：新一代柔性传感