近年來，可穿戴傳感器領域取得了顯著的進展，但仍存在一定的局限性，需要根據目標信號重新制作和調整傳感器。然而，生物感覺系統具有根據外部環境調節其靈敏度的內在潛力，從而實現廣泛且增強的檢測。

據麥姆斯咨詢報道，近日，韓國首爾大學醫院（Seoul National University Hospital）和亞洲大學（Ajou University）聯合開發了一種可調諧、超靈敏、受自然啟發的表皮傳感器（TUNES），其應變靈敏度顯著提高（應變系數~30 k），壓力靈敏度可通過預設膜張力進行調節（10-254 kPa?1）。該傳感器通過預設張力來調節壓力靈敏度，因此它可以以最佳性能檢測寬動態范圍（0.05 Pa-25 kPa）：從微小脈沖等非常小的信號到肌肉收縮和呼吸等相對較大的信號。研究人員通過臨床試驗將TUNES與目前被認為是血壓金標準的有創血壓傳感器（r=0.96）和通過機器學習對老年/青年脈搏波進行二元分類的家庭醫療保健系統（準確率95%）進行比較，證明了其作為可穿戴健康監測系統的能力。

在蜘蛛中，應變探測器由嵌入表皮并被外膜覆蓋的平行狹縫組成，并且位于腿關節附近。腿部的狹縫隨著腿部姿勢被壓縮或釋放，外力的振動通過壓縮使狹縫閉合。狹縫中靈敏度的變化可以讓蜘蛛探測到從高到低的各種振動，以捕捉小獵物或逃離巨大的捕食者。通過模擬狹縫器官的幾何形狀和調諧機制，研究人員通過在金屬化聚酰亞胺（PI）膜上產生納米級裂紋，設計了一種對施加的應變具有非線性電阻變化的傳感器。裂紋傳感器可以通過傳感器的預應變（預設應變：0-1%）來調節靈敏度，如同蜘蛛腿一樣。

受蜘蛛感覺器官啟發的靈敏度調諧機制

所開發的裂紋傳感器具有調節其靈敏度以測量不同范圍的應變或壓力的能力。與現有的靈敏度和測量范圍相沖突的壓力傳感器相比，裂紋傳感器在0.05 Pa-25 kPa壓力范圍內具有10-254 kPa?1的可調諧靈敏度，增強了對各種壓力范圍生物信號的檢測。

裂紋傳感器的可調諧靈敏度和機械特性

進一步，研究人員證明了增強的生物信號（尤其是脈搏波）通過無創血壓監測和機器學習實現可穿戴家庭保健和自我診斷系統的可行性。靈敏度的提高為脈搏波測量提供了高精度和高分辨率。TUNES和被稱為金標準的有創血壓測量之間的脈搏波的相似性為96%。TUNES可以測量不同脈搏點的脈搏波，即使在步行和騎自行車等運動狀態下也可以測量顳動脈。此外，測量和藍牙傳輸系統可以由簡單的嵌入式電路組成，而不需要大型復雜的設備。

用于非侵入式生物醫學傳感的TUNES

總之，受蜘蛛狹縫器官的啟發，研究人員開發了一種超靈敏的可調諧機械傳感器，可以通過調整預設應變來調節其靈敏度。這種可調諧性源于所使用的納米裂紋傳感器的非線性特性。因此，單個傳感器可以測量呼吸、肌肉收縮/松弛、手腕脈搏等多種生物信號，并在臨床試驗中與商業醫療設備進行比較，展示了生物醫學應用的潛力。未來的工作重點是開發一種集成系統，將無線通信與電機控制系統相結合，以最佳靈敏度自動控制傳感器的預設應變，并基于固有可拉伸材料或剪紙藝術kirigami設計來提高傳感器的結構靈活性，從而在不損壞的情況下檢測更大范圍的壓力。

論文信息：
https://www.nature.com/articles/s41528-023-00247-2

審核編輯 ：李倩