撰稿|由课题组供稿
新加坡国立大学仇成伟教授课题组报道了一种利用噪声来增强传感器的准确度的新方法，设计了一款可穿戴的体征传感器，并展示了运动过程中带来的噪声能够增强该体征传感器的信噪比。研究成果以“Stochastic exceptional points for noise-assisted sensing”为题发表在《Physical Review Letters》并被选为Editor’s Suggestion。同时，Physics Magazine在线发表了一篇题为“Environmental noise makes a sensor more sensitive”的Focus专题报道了该工作。论文第一作者为新加坡国立大学博后李志鹏和博士生李晨晖，通讯作者为新加坡国立大学John Ho和仇成伟教授。上海科技大学熊泽教授、湖南师范大学刘柱教授、华南理工大学林容周教授、浙江大学李鹰教授参与了该工作。
生物传感器在健康监测和医疗中起着重要作用，近些年众多可穿戴或可植入的传感器被开发出来，提供了更加准确和便携的诊疗，满足了普通人对关注自身健康的需求，并极大地提高了病人的生活质量。一些商用的例子包括能检测多项健康数据的智能手表、植入式血糖检测仪、植入式的心血管压力传感器等。然而现阶段的可穿戴或可植入式传感器受限于日常生活中噪声的影响，其传感的灵敏度和准确度无法满足健康监测和诊断的要求。为了解决该问题，新加坡国立大学仇成伟课题组提出了一种通用型的传感器设计方法，利用噪声来提高可穿戴或可植入式传感器的准确度。同时，该团队利用该方法开发了一款可穿戴式的体征传感器，展示了由于运动引入的噪声能够提高呼吸检测的信噪比。
噪声通常会干扰信号检测，大多数噪声的抑制方法的目标是减少或消除噪声。然而在各种生物感知系统中，噪声是可以反直觉地增强系统检测弱信号的能力。受该效应的启发，该团队发现了一种新的物理现象，称为随机非厄米奇异点。非厄米奇异点是指在非厄米系统中本征频率和本征向量同时简并的点，该奇异点可以增强光学和微波传感器的灵敏度。该团队在2019年的一篇Nat Electron文章中提出了利用非厄米奇异点来增强可植入式微传感器的灵敏度，然而研究表明该奇异点更易受到噪声的影响。该团队在非厄米奇异点的基础上，反常地加入噪声，使得非厄米奇异点处在随机的位置上，故而称之为随机非厄米奇异点。当被传感的信号为微弱的周期信号时，该系统的信噪比随着加入的噪声增强而增强，并到达一个最大值，如图一所示。
图一展示了在非厄米奇异点的基础上额外引入噪声，使非厄米奇异点处在随机的位置上。随机非厄米奇异点增强了系统对微弱周期信号的传感的准确度，加入的噪声越大，信噪比越强。
图二展示了数值计算的结果，引入噪声使系统的信噪比达到一最大值。
图三展示了实验验证的结果。首先实验构建了一个具有非厄米奇异点的系统，然后在系统中注入待检测的周期信号和噪声。系统的输出信号的信噪比和数值计算的趋势保持一致，均是随着加入噪声越大而信噪比越高，然而普通方法的信噪比随着噪声增强呈指数型下降。在该实验中，该新方法最多增强了9 dB的信噪比。
补充材料图17展示了所设计的可穿戴的传感器用于检测呼吸信号。
图四展示了利用该可穿戴传感器测到的运动过程中的呼吸信号。运动速度越快引入的噪声越大，传感器的信噪比反而增强了。该团队同时也检测了氧气的消耗量作为标准信号，Bland-Altman图表明噪声增强了被测信号与标准信号的一致性。然而在运动过程中普通方法无法测出呼吸信号。
该团队在非厄米奇异点的基础上提出了随机非厄米奇异点的新概念，并展示了利用噪声增强可穿戴传感器的信噪比的方法，该方法可以被利用于设计其他类型的传感器包括健康传感器和工业传感器，应用于高噪声的极端环境中。
文章链接
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.227201
https://physics.aps.org/articles/v16/94
