3D打印+纳米技术,为可穿着设备打造灵活又耐用橡胶石墨烯传感器

财经 · 2020-03-24 17:25:32

图片泉源:University of Waterloo

研究人员使用3D打印技术和纳米技术,为可穿着设备制造了一种既耐用又灵活的传感器,可用于从监测生命体征到追踪运动体现等一切情况。

这项新技术由滑铁卢大学工程师开发,将硅橡胶与超薄石墨烯层联合在一起形成一种新质料,是制作腕带或跑步鞋鞋垫的理想质料。

当橡胶质料弯曲或移动时,高导电性的纳米级石墨烯就会发生电信号,这种石墨烯嵌在其设计的蜂窝状结构中。

“硅树脂为我们提供了生物监测应用所需的灵活性和耐久性,而添加的嵌入式石墨烯使其成为一种有效的传感器。” 滑铁卢大学多尺度增材制造(MSAM)实验室的研究主任Ehsan Toyserkani说,“这一切都集中在一个单一的部门。”

只有使用最先进3D打印技术——也被称为加法制造——的设备和工艺,才气制造出具有如此庞大内部特征的硅橡胶结构。

这种橡胶-石墨烯质料除了具有高导电性外,还具有极高的柔韧性和耐用性。

“它可以在最恶劣的情况中使用,纵然是在极端的温度和湿度下。”滑铁卢大学工程学博士生、该项目卖力人埃尔哈姆•达乌迪(Elham Davoodi)说。“它甚至可以能跟你的衣服一起洗。”

这种质料和3D打印工艺使定制的设备能够准确地适适用户的体型,同时与现有的可穿着设备相比也提高了舒适度,并由于简朴而降低了制造成本。

Toyserkani是机械和机电工程的教授,他说这种橡胶石墨烯传感器可以与电子元件搭配使用,制成可穿着设备,记载心率和呼吸频率,记载运发动跑步时施加的气力,让医生远程监控病人,以及其它许多潜在的应用。

来自加利福尼亚大学、洛杉矶分校和英属哥伦比亚大学的研究人员配合到场了这个项目。

这项研究的最新系列论文《为可穿着生物监测制作3D打印超结实外貌掺杂多孔硅传感器》揭晓在《ACS Nano》杂志上。

可穿着式传感器的生长

随着已往几十年卫生保健的改善,如今,工业化国家的住民寿命更长,但康健状况往往庞大多样。急性创伤的存活率也有所提高,但这与严重残疾患者数量的增加有关。从盛行病学的角度来看,美国“婴儿潮”一代现在已经到了开始对医疗保险制度发生严重压力的年事。不止是美国,高度工业化国家的医疗保健系统都将面临类似的严峻挑战。

这些变化的人口结构提出了一些基本问题:我们如何照顾越来越多患有庞大疾病的人?我们如作甚那些无法获得医疗服务的人提供高质量的医疗服务?我们如何最大限度地提高越来越多的暮年人的独立性和到场性?

显然,回覆这些问题将是庞大的,需要我们改变组织和支付医疗保健的方式。然而,部门解决方案可能在于我们如何以及在何种水平上使用信息技术和相关领域的最新希望。现在,一些技术大有希望扩大卫生保健系统的能力,将其规模扩大到社区,革新诊断和监测,并最大限度地提高小我私家的独立性和到场性。可穿着技术的远程监控系统就是一种,而且,最近可穿着传感器系统的生长带来了许多令人兴奋的临床应用。

可穿着传感器具有诊断和监测应用。它们现在的功效包罗生理和生化传感,以及运动传感。生理监测可以资助诊断和治疗大量患有神经、心血管和肺部疾病(如癫痫、高血压、阅读障碍和哮喘)的患者。基于家庭的运动感应可能有助于预防跌倒,并有助于最大限度地提高小我私家的独立性和社区到场。

对康复感兴趣的生理监测包罗心率、呼吸频率、血压、血氧饱和度和肌肉运动。从这些监测中提取的参数可以提供康健状况的指标,具有极大的诊断价值。以前,只有在医院情况中才气对生理参数举行一连监测。可是今天,随着可穿着技术领域的生长,准确、一连、实时监测生理信号成为可能。

在可穿着系统中集成生理监测通常需要巧妙的设计和新颖的传感器定位。例如,Asada等人提出了一种用于丈量血氧饱和度(SpO2)和心率的环形传感器设计。环形传感器是完全独立的。戴在手指上像戒指一样,它集成了淘汰运动伪影的技术,旨在提高丈量精度。环形传感器的应用规模从高血压的诊断到充血性心力衰竭的治疗。随后,同一研究小组开发了一种独立的可穿着式无袖光电脉搏波(PPG)血压监测仪。该传感器集成了一个基于两个微机电系统(MEMS)加速度计的新型高度传感器,用于丈量PPG传感器相对于心脏的静水压力偏移。平均动脉血压来自于PPG传感器输出振幅,它思量了传感器相对于心脏的高度。

另一个巧妙设计的例子是Corbishley等人使用小型可穿着式声传感器(如麦克风)开发丈量呼吸频率的系统。将麦克风置于颈部,记载与呼吸相关的声学信号,通过带通滤波获得信号调制包。通过开发过滤情况噪声和其他人为滋扰的技术,研究人员乐成地到达了90%以上的呼吸率丈量精度。此外,他们还提出了一种基于上述传感技术的呼吸暂停检测算法。

近年来,柔性电路领域的生长和传感技术与可穿着设备的融合,使生理监测受益匪浅。Patterson等人先容了一种用于心率监测的耳戴式、柔性、低功耗PPG传感器。由于传感器的位置和不显眼的设计,它适合恒久监测。虽然这种类型的系统已经显示出有希望的效果,但似乎需要举行分外的事情来实现运动伪影的淘汰。适当降低运动伪影对可穿着传感器的部署至关重要。一些由于运动发生的问题可以通过将传感器集成到装套中来最小化。Lanata等人对差别穿着式呼吸功效监测系统举行了比力分析。分析效果讲明,压电气体造影比肺活量法具有更好的检测效果。只管如此,在信号处置惩罚技术的进一步生长,以减轻运动伪影是有需要的。

生物化学传感器近年来引起了可穿着技术领域研究人员的极大兴趣。这些类型的传感器可用于监测生物化学以及大气中化合物的水平(例如,便于监测在危险情况中事情的人)。从设计的角度来看,生化传感器可能是最庞大的,因为它们通常需要收集、分析和处置惩罚体液。穿着式生化传感器领域的研究希望缓慢,但随着微纳米制造技术的生长,近年来研究的程序有所加速。例如,Dudde等人开发了一种微创可穿着闭环准一连药物输注系统,可以丈量血糖水平并自动注射胰岛素。葡萄糖监测器由一种新型的硅传感器组成,它使用微灌注技术一连丈量葡萄糖水平,而胰岛素的连续输注是通过一种改良的高级胰岛素泵实现的。该设备集成了蓝牙通信功效,用于显示和记载数据,并吸收来自小我私家数字助理(PDA)设备的下令。

在欧盟委员会的支持下,作为BIOTEX项目的一部门,一系列生物化学传感器已经被开发出来。详细来说,BIOTEX项目涉及将生化传感器集成到纺织品中,用于监测体液。在这个项目中,研究人员开发了一种基于纺织品的流体收集系统和传感器,用于体内外测试人体汗液的pH值、钠和电导率。通过可穿着系统的体内外测试,研究人员已经证明,该系统可以用于体育运动中汗液的实时分析。

作为一个类似项目ProeTEX的一部门,Curone等人为消防员开发了一种可穿着的传感服装,它集成了一个二氧化碳传感器来丈量运动、情况和体温、位置、血氧饱和度、心率和呼吸速率。ProeTEX系统可以向消防员发出潜在危险情况的警告,并向控制中心提供有关他们康健状况的信息。上述项目开发的系统可用于设计用于远程康健监测应用的基于电子纺织的可穿着系统。

与此同时,人们对开发“芯片实验室”系统越来越感兴趣。这样的系统可以通过使测试和诊断快速、廉价且容易获得,从而彻底改变医疗点测试和诊断。Wang等人开发了一种集成了pH值和温度传感器的系统芯片(SOC),用于远程监控应用。他们的SOC包罗通用传感器接口、ADC、微控制器、数据编码器和频移键控射频发射机。类似地,Ahn等人开发了一种低成本的一次性塑料芯片实验室设备,用于血液气体浓度和葡萄糖等参数的生化检测。该生物芯片包罗一个用于检测多个参数的集成生物传感器阵列,并使用被动微流控系统取代主动微流控泵。

原文泉源:https://phys.org/news/2020-03-tough-flexible-sensor-wearable-tech.html

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3354997/


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