蛇皮启发了可穿戴传感器的发展

人体的许多身体功能都表现为皮肤的机械变形——从肌肉和关节的伸展、弯曲和运动到手腕的脉搏颤动。这些机械变化可以通过测量全身不同部位不同程度的张力来检测和监测。

近年来，人们的注意力都集中在可穿戴式传感器测量这些菌株用于个人健康监控．其中一些传感器可以检测高水平(40-100%)菌株，如与手指和四肢关节运动有关的菌株，其他传感器可以检测中水平(10-40%)菌株，如在吞咽和面部运动中发现的菌株，还有一些传感器对手腕脉冲和声带振动中观察到的低水平(<1%-10%)菌株敏感。

由于其最高水平的电导率和稳定性，这些类型的传感器高度青睐的材料是PEDOT:PSS，或聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸。此前，已经开发出非常敏感的PEDOT:PSS应变传感器，可以从非常微小的运动(<1%)中检测应变，但PEDOT:PSS薄膜固有的较差的弹性导致性能和功能的恶化水平，当用于测量较大的应变(>20%)。试图通过添加弹性聚合物或弹性体来解决这个问题，结果是增加了弹性，但降低了检测小应变的灵敏度。

Terasaki生物医学创新研究所(Terasaki Institute for Biomedical Innovation)的一个合作团队通过设计一种可穿戴的应变传感设备来解决这些挑战，该设备可以有效地检测多种应变。为了最大限度的拉伸传感器在美国，TIBI的研究人员从自然界的一个例子中获得了灵感。众所周知，蛇在吞咽猎物时，能够伸展到正常体型的数倍。通过对蛇皮的仔细观察，研究人员发现蛇皮上覆盖着重叠的鳞片;当施加张力时，这些鳞片彼此滑动，并被移到分散在其中的皮肤鳞片中。这使皮肤有了特别的弹性。

研究人员在制造传感器时使用了这种设计概念。一层薄薄的PEDOT:PSS被应用到弹性体胶带上。然后将这一层拉伸到实验优化的50%应变水平。这一过程导致裂缝和微尺度碎片的形成，或在层的表面形成“岛”，点缀着PEDOT:PSS区域。这些暴露的区域作为粘接点的应用第二薄层PEDOT:PSS。一旦应用，第二层被进一步拉伸到100%的张力水平，从而产生了额外的岛屿和区域，与第一层的岛屿和区域自然对齐。当从拉伸中释放出来时，一个由重叠岛屿构成的结构就像蛇的鳞状结构。

“这种传感器发展的关键在于其新颖的结构设计，”首席研究员张世明博士说。“这使得我们的设备能够以高灵敏度测量大范围的应变水平。”

将PEDOT:PSS双分子层固定在一层水凝胶；这种柔软的凝胶状水凝胶被选择作为底层，因为它会附着在受试者的皮肤上，提供生物相容性和可穿戴舒适。在传感器上添加了铜线和弹性体密封，并进行了各种实验，以测试其检测大范围应变的能力。

在低量程应变测试中，测量了休息时和运动后的手腕脉冲。在发声和发声过程中也测量了颈部的皮肤和组织运动。为了检测中度张力，我们测量了吞咽过程中眉毛的运动和喉头的上下运动。在高强度应变试验中，测量了不同程度的肘部弯曲。

实验结果表明，TIBI传感器能产生清晰的信号，灵敏度范围为两个数量级。这些信号准确地反映了检测到的相应运动的角度和角度。此外，该传感器表现出优异的导电性、耐久性和重现性。

这种广泛的可穿戴传感器的多功能性可以应用于多种生物医学需求，如监测心脏或循环功能，帮助发声或吞咽困难的对象，或在物理上康复以及对运动表现的评价。它还可以用于一些创造性的应用，如改善那些在嘈杂环境中工作的人的沟通，或监测与面部表情相关的心理状况。

TIBI董事兼首席执行官Ali Khademhosseini博士说:“这里展示的结构设计原则是可穿戴健康监测的真正进步。”“它体现了我们研究人员在开发个性化传感设备方面的创造性和前瞻性思维。”