僅在美國，每年就有大約 100,000 起交通事故是由困倦或疲勞等人為因素造成的。汽車生物傳感器可用于通過提供健康問題的早期檢測、阻止疲勞相關的事故以及評估壓力和情緒狀態來幫助保持安全駕駛。現在已經探索了各種方法來測量汽車環境中疲勞和警覺性的生理標志物，包括電生理學、慣性行為相關和視覺等方式。然而，這些方法難以在動力學環境中可靠且不引人注目地捕獲生理標志物，例如在發生大量振動的汽車或航空應用中。電極已被整合到方向盤表面，以獲得注意力不集中的電生理標志物，但該方法需要穩定的皮膚接觸，這很難實現。或者，在某些情況下使用攝像頭的監控方法很有前途，但它們依賴于環境照明，會產生潛在的隱私問題。

無線傳感器有可能在車輛環境中提供不顯眼的疲勞和注意力檢測。它們對環境噪聲（例如可變的照明條件）不太敏感，并且可以保護用戶隱私。然而，由于運動偽影以及封閉機艙環境中多徑反射產生的信號干擾，在包括振動、隨機身體運動和多名乘客在內的動力學環境中獲取高質量的生理參數仍然比較困難。近日，新加坡國立大學何思遠教授與清華大學深圳國際研究生院田曦團隊合作報道了一種超材料生物傳感器。它可以在動力學環境中捕獲心肺信號，而無需與身體直接接觸。該生物傳感器使用數字刺繡制成，可以與安全帶集成，并可以通過無線信號與身體之間的近場交互來檢測生理運動。

使用導電線用計算機輔助數字刺繡制造生物傳感器，這種柔軟的紡織傳感器，可以貼合身體，適應用戶活動并與現有安全帶集成。生物傳感器可以連續監測安全帶上各個位置的心率 （HR） 和呼吸，包括肩帶和腰帶，并且對不同的服裝材料和厚度都可以保持性能。在航空公司機艙模擬器中測試了刺繡超材料系統對一系列人體活動的檢測能力，并驗證了其睡眠-覺醒階段鑒別的能力。生物傳感器還可以可靠地提取呼吸和心跳信號，并在具有挑戰性的動力學環境中保持準確性。

圖：非接觸式超材料生物傳感器

生物傳感器的設計：

為了克服相對運動導致的信號減弱現象，利用與身體機械耦合的線束作為基材，集成一種超材料，該超材料可以通過無線信號與身體之間的近場交互實現對生理運動的高度靈敏檢測。選擇導電線的數字刺繡作為制造策略，因為它能夠在幾乎任何現有的織物基材上精確產生復雜的周期性圖案。這種超材料通過低填充因子并支持小波長表面波的傳，由空心梳狀形狀組成，該結構將無線信號傳播為欺騙表面等離子體 （SSP） 極化激元，其波長壓縮到自由空間波長的四分之一左右。這些高度受限的近場傳感模式提供了針對潛在干擾的魯棒性，例如駕駛員姿勢變化和多乘客雜波。色散關系分析用于設計晶胞的幾何參數，以獲得 2.4–2.5 GHz 工作頻帶內所需的表面模式特性。當填充因子 q 從 8 mm 降低到 1 mm 時，2.4GHz 時的波數β從 0.48π 增加到 0.65π rad cm?1，表示更強的場限制和波長壓縮。此外，可以調整填充因子以支持 0.49π 至 0.59π rad cm?1 的表面模式在不同的紡織基材上應用。

為了實現從超材料結構到 50 Ω共面波導 （CPW） 的高效波矢轉換，設計了一個與傳統微波連接器兼容的過渡截面。由梯度波紋空心帶和擴口接地組成的阻抗匹配過渡，它將傳輸效率提高了 4 dB 以上，并降低了超材料波導和 CPW 之間的轉換損耗。另一方面，超材料生物傳感器的傳輸損耗由紡織品電導率決定，這可以通過填充因子的變化來適應。為了確保與刺繡生產的兼容性并保持亞波長壓縮，選擇 q = 2 mm 以將傳輸損耗保持在 0.25 dB cm?1。超材料生物傳感器在計算體模型上的全波模擬說明了生物傳感器表面的波長壓縮和能量限制。這些特性可以增強與身體的無線交互，利用心肺活動引起的組織特性變化來更有效地調節傳播階段，尤其是當生物傳感器集成到位于身體前方的安全帶中時。傳輸信號以表面波的形式沿超材料結構傳播，并將組織邊界和介電特性的變化轉化為相位調制。

圖：紡織超材料生物傳感器的設計

超材料生物傳感器性能評估：

為了評估超材料生物傳感器在符合彎曲身體輪廓下的性能，將其集成到飛機機艙模擬器中。從四名健康受試者（兩名男性和兩名女性）那里獲得了生理數據，他們穿著正規服裝，在肩帶和腰帶上放置了不同的傳感器。通過變分模態分解（VMD） 進行信號分離，然后進行峰檢測 （方法） 來提取 HR 和呼吸。通過將傳感器放置在安全帶的低段和中段，可以實現檢測到的心跳間期 （IBI）和參考心電圖呼吸率 （RR） 間期之間的更高相關性，r = 0.967 和 0.972。對于所有四個傳感器的放置，HR s.d. 誤差范圍為每分鐘 2.9 至 5.6 次 （bpm），這與領先的商用腕戴式心率監測器相當，通常約為 4-10 bpm。同樣，RR 檢測的s.d. 誤差與商用可穿戴設備相當 （2-3 bpm）。此外，即使穿著冬季外套（>1 cm 厚），生物傳感器也能保持 3 bpm 的 HR s.d. 誤差。這些結果驗證了超材料生物傳感器的有效性，并為傳感器部署提供了有價值的指導。

圖：傳感器放置的傳感性能特征

在飛機機艙模擬器中進行持續健康監測：

使用紡織超材料生物傳感器，在飛機機艙模擬器中對日常活動進行了生理監測，包括說話、喝水、在鍵盤上打字和使用手機。生物傳感器可以可靠地捕獲呼吸和心跳信號，盡管身體運動和背景干擾仍然存在。通過將生物傳感器集成到腰帶中，以便在斜躺位置進行生理監測，進一步擴展了生物傳感器的多功能性。生物傳感器捕獲不同身體方向的生理信號，包括仰臥位、俯臥位、左臥位和右臥位，IBI 估計誤差中位數為 15 毫秒。

睡眠期間的心率動力學受自主神經系統的調節，導致不同的模式，可以為睡眠-覺醒轉換提供信息。因此，進行了 6 小時的夜間睡眠實驗，以證明超材料生物傳感器在睡眠-覺醒檢測方面的能力。在最初的 25 分鐘內平均心率明顯下降 （~15 bpm） 表明入睡。此外，睡眠期間 HR 的突然變化與覺醒密切相關，表現為 HR 從低于 60 bpm 突然增加到70 bpm 以上。利用傳感器輸出作為身體活動指標并將其與 HR 數據集成，使用基于規則的方法（Methods） 進行了睡眠-覺醒分類。下圖顯示了整個 6 小時睡眠測試中的生物傳感器輸出 （i）、心率曲線 （ii）、身體活動 （iii） 和二元睡眠-覺醒分類（iv）。與從智能手表獲得的參考睡眠-覺醒階段進行基準測試時，從心率概況和身體活動指標得出的估計睡眠-覺醒階段的檢出率為 95%。

圖：連續的生理監測

車輛環境中的生理監測：

接下來探討紡織超材料生物傳感器在真實車輛環境中的效用。將其集成到汽車安全帶中，與胸部區域對齊。當車輛怠速時，時域和頻域分析都顯示出清晰的呼吸和心跳模式。盡管存在大量的振動干擾，但頻域分析表明，在車輛環境中仍然可以觀察到心跳信號。 基于 VMD 的信號處理管道允許對真實世界數據進行基于優化的擬合，從而有效地將呼吸和心跳信號與車輛環境中的運動噪聲分離。當受試者被指示在移動的車輛中使用假方向盤模擬駕駛員的動作時，進行了生理跟蹤。對檢測到的 IBI 的 Bland-Altman 分析得出的 s.d. 誤差為 39 毫秒，與沒有引入駕駛員運動的場景相當。進一步證明了在具有不同路況和交通流量的城市駕駛環境中對乘客的持續生理監測。車輛的位置、速度和加速度信息是使用智能手機應用程序記錄的。結果顯示，平均差為 0.5 ms，標準偏差為 35 ms，這與飛機機艙模擬器在相對靜態條件下實現的精度相當。在車輛經歷不穩定加速的中度和重度交通條件下，均未觀察到生物傳感器的準確性明顯下降。從最初的警覺狀態開始，受試者經歷了多次嗜睡，與初始測量相比，平均心率大幅下降了10 次/分以上。生物傳感器捕獲的 HR的突然變化表明了生理知情嗜睡檢測的潛力。這些結果表明，超材料生物傳感器在城市駕駛環境中遇到的速度和地形范圍內進行生理監測具有高度可靠性。

圖：車內生命體征監測

小結：

作者團隊報道了一種數字刺繡的保形超材料生物傳感器，可以集成到安全帶中，用于非接觸式生理監測。生物傳感器的超材料結構增強了電磁場與生理運動的相互作用，在動力學環境中提供可靠的生命體征監測。在航空公司客艙模擬器中測試了傳感器的性能，并證明在日常活動中可以獲得高質量的生理信號。生物傳感器能夠根據心率波動進行睡眠-覺醒檢測，可用于長期睡眠監測應用。通過汽車安全帶部署，強調了超材料生物傳感器在車輛環境和正常駕駛員運動中的抗振傳感能力。生理標志物的連續流在實時評估駕駛員行為方面具有潛在價值，該方法可用于開發檢測車輛疲勞、嗜睡和高腦力負荷的應用程序。

參考文獻： Qihang Zeng, Xi Tian, Dat T. Nguyen, et al. A digitallyembroidered metamaterial biosensor for kinetic environments. Nat Electronics.2024 Oct 17.

https://www.nature.com/articles/s41928-024-01263-4

來源：奇物論

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