大数跨境
0
0

四川大学李光宪教授/杨俊龙副研究员团队《Adv. Sci.》:抗运动伪影柔性电子皮肤实现脉搏的长期精准监测

四川大学李光宪教授/杨俊龙副研究员团队《Adv. Sci.》:抗运动伪影柔性电子皮肤实现脉搏的长期精准监测 高分子科技
2025-03-01
0
导读:避免了复杂的化学工艺和材料限制,为运动伪影抑制提供了全新解决方案...
点击上方蓝字 一键订阅


柔性电子皮肤作为模拟人体皮肤力学与感知特性的仿生传感系统,其稳定服役性能是从实验室走向应用的关键环节。针对复杂应力耦合工况下的稳定性难题,该团队提出一体化同质结构力学适配策略以突破传感器高循环动态稳定性的瓶颈。前期研究中,团队采用具有聚酰亚胺自粘合界面和高孔隙结构的纤维传感器,在15万次循环载荷下实现几乎零信号漂移,应用于长期足底压力与步态监测(ACS Nano 2024, 18, 14672-14684)。此外,团队还提出聚氨酯基机电离子传感器,通过原位生长粘合界面实现宽域线性响应和15万次压缩载荷下信号波动<7.1%并成功集成于智能抓取系统实现精准触觉反馈 (Adv. Funct. Mater. 2024, 2406762)。通过总结柔性电子中粘附技术的发展,系统地阐述了现有一体化柔性电子器件服役稳定性挑战及最新进展(Coordination Chemistry Reviews 2025, 523, 216278)。

本工作聚焦于指尖脉搏的高精度长期稳定识别,致力于通过封装层模量调控,消除动态压应力下的由拉伸应力导致的运动伪影(信号漂移),从而提升器件压应力传感信号稳定性,为智能医疗领域提供可靠的健康监测方案

柔性压力传感器凭借其高贴合性、卓越的可穿戴性和便携性,已成为医疗健康监测系统中的重要部分。其能够精准捕获反映心血管健康状况的脉搏波形,对评估心脏功能及早期发现心血管疾病具有重要意义。因此,实现连续的脉搏波监测,对提升诊断精度降低心血管疾病发病率和死亡率至关重要。然而,在日常动态生活中,肌肉的周期性拉伸会对可穿戴设备施加额外的拉伸应力,其法向分力(F')会干扰压力信号传感,导致运动伪影的产生。这些伪影不仅严重扭曲脉搏波形的真实形态,还会增加数据噪声,降低信号质量,甚至完全掩盖脉搏信号,极大地影响医疗诊断的准确性与可靠性。


解决运动伪影对长期脉搏检测的影响四川大学李光宪教授/杨俊龙副研究员团队近期在Wiley旗下《Advanced Science》期刊上发表了题为《Anti-Motion Artifacts Iontronic Sensor for Long-Term Accurate Fingertip Pulse Monitoring》的研究论文。该研究聚焦于柔性压力传感器在动态环境下的信号稳定性问题,研究团队开发的抗运动伪影离子型柔性压力传感器(S-smooth传感器),通过优化传感器结构设计和材料模量,采用软硬结合的可拉伸封装层结构和低摩擦设计,使传感器灵敏度达到92.76kPa-1,同时具有90%运动伪影抑制率并在百万次循环测试后仍保持优异稳定性。此外,研究团队进一步开发了一种无线脉冲信号采集系统(S-smooth系统),在剧烈运动条件下仅产生2.9%的心率损失率,显著提升了动态脉搏监测的可靠性。工作为柔性电子技术在生物医学和健康监测领域的实际应用提供了重要的理论支持和技术参考。

1. 抗运动伪影S-smooth传感器的设计原理

研究团队通过优化电极结构并调控电极与介电层的模量,成功开发出高性能传感器。低模量介电层的高变形能力与高模量电极层的高效传导相结合,使传感器实现了92.76kPa-1的高灵敏度、5万次循环稳定性以及0.9Pa的最低检测极限。在此基础上,通过对比四种不同结构设计的传感器,研究团队发现,软硬结合的可拉伸封装层结构与低摩擦界面的结合显著降低了拉伸过程中的信号波动,使得S-smooth传感器在50%应变下信号变化仅为5%。同时,低摩擦界面有效保护了介电层的微结构完整性,使其在10次拉伸循环后仍保持完整。这些创新设计为动态环境下的精准脉搏监测提供了可靠保障。

2高灵敏度传感器的优化设计

3. 抗运动伪影传感器的优化设计

研究团队进一步探究了S-smooth传感器抗运动伪影性能的机理。通过实验与有限元分析相结合,发现其独特的软硬结合的可拉伸封装层结构和低摩擦界面显著降低了拉伸过程中的法向应力(F',从根源上解决运动伪影。在50%应变条件下,S-smooth传感器的F'仅为0.5 kPa相较传统设计降低98.3%。低摩擦界面还保护了传感器的微结构完整性,使其在100万次循环测试后仍保持稳定性能。

4. S-smooth传感器抗运动伪影的机理

文章最后展示了S-smooth传感器在实际人体脉搏监测中的应用性能。在手指弯曲手臂摆动等动态条件下,传感器能够清晰捕捉脉搏波形中的特征波峰(P1P2P3),并精准测量心率(HR)及波形时间差(t)。此外,团队将传感器集成为便携式脉搏监测系统在静息、行走和跑步条件下,心率损失率低至2.9%,充分证明了其在动态环境中的高稳定性和可靠性。

5. S-smooth传感器在人体脉搏检测中的应用

6. S-smooth系统在指尖脉搏长期监测中的应用

这一创新设计避免了复杂的化学工艺和材料限制,为运动伪影抑制提供了全新解决方案,在实时健康监测和辅助诊断领域具有重要应用潜力。随着柔性电子技术在动态监测领域的不断发展,S-smooth传感器的设计思路为智能健康监测设备和可穿戴技术的性能优化提供了切实可行的解决方案。

四川大学高分子材料科学与工程学院硕士研究生尤佳为该文章的第一作者,通讯作者为四川大学杨俊龙副研究员。该工作得到了国家自然科学基金委、四川省自然科学基金委等项目经费资助。


原文链接 

https://doi.org/10.1002/advs.202414425


导师简介:

向上滑动阅览


杨俊龙,四川大学特聘副研究员,博士生导师,高分子材料工程国家重点实验室固定成员;2017年在四川大学高分子科学与工程学院取得材料加工工程专业博士学位。期间在美国圣母大学航空与机械系,通过联合培养方式进行为期一年半的联合培养。博士毕业后加入南方科技大学材料科学与工程系开展博士后研究,合作导师:郭传飞教授。于201912月转为材料系研究助理教授。202012月底以人才引进方式,加入四川大学高分子学院工作。


主要从事高分子基柔性电子材料与器件复杂环境及工况下的长期服役与稳定研究。具体研究方向:(1)面向极端服役工况的一体化、高性能柔性电子器件及其长期服役稳定性;(2)功能高分子电介质材料新服役工况下的故障诊断、寿命监测与评估。已发表SCI论文40余篇,以第一作者/通讯作者身份在Nature CommunicationsACS NanoAdvanced. Functional Materials等国际高水平杂志发表多篇论文,其中2篇入选ESI高被引论文(热点论文),谷歌学术引用3000余次,H指数23。已申请中国发明专利10件,授权专利3件。主持国家级项目3项,包括国家重点研发计划子课题1项、国家自然科学基金面上项目1项、青年基金1项;省部级项目3项。讲授高分子学院本科生专业必修课程《高分子材料成型加工基础》、专业选修课《反应加工原理》。指导毕业的本科生赴新加坡国立大学、复旦大学、四川大学等深造。


计划每年招收1-2名博士生、2名硕士生、3-4名本科生,欢迎对可持续高分子材料及器件、柔性电子材料方向感兴趣的有志青年加入我们!

课题组网站:https://www.x-mol.com/groups/scu_YangJunlong

联系方式:Emailyangjl@scu.edu.cn


相关进展

CCR 柔性电子界面最新综述 - 川大李光宪教授/杨俊龙副研究员、南科大郭传飞教授合作:柔性电子的界面粘附-材料、结构与应用

川大李光宪/黄亚江团队 Addit. Manuf.:通过络合作用优化聚酰胺粉末的增材制造加工性能和力学性能

川大李光宪教授、牛艳华教授团队 Macromolecules:链缠结对聚离子液体流变学及力学行为的影响

四川大学廖霞研究员和李光宪教授课题组:二氧化碳对聚乳酸晶体成核与生长的影响

高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享,刊物或媒体如需转载,请联系邮箱:info@polymer.cn

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件(论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等)至info@polymer.cn,并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送,并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求,陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群,也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群,全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群,请先加审核微信号PolymerChina(或长按下方二维码),并请一定注明:高分子+姓名+单位+职称(或学位)+领域(或行业),否则不予受理,资格经过审核后入相关专业群。

这里“阅读原文”,查看更多


【声明】内容源于网络
0
0
高分子科技
高分子科技®协同全球高分子产业门户及创新平台 “ 中国聚合物网 www.polymer.cn ” ,实时报道高分子科学前沿动态,关注和分享新材料、新工艺、新技术、新设备等一线科技创新设计、解决方案,促进产学研及市场一体化合作的共同发展。
内容 16581
粉丝 0
高分子科技 高分子科技®协同全球高分子产业门户及创新平台 “ 中国聚合物网 www.polymer.cn ” ,实时报道高分子科学前沿动态,关注和分享新材料、新工艺、新技术、新设备等一线科技创新设计、解决方案,促进产学研及市场一体化合作的共同发展。
总阅读3.1k
粉丝0
内容16.6k