新加坡國立大學與清華大學深圳國際研究生院：超材料生物傳感器，無需與身體直接接觸！

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?，F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。

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，2.4 GHz 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。

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