生物力學(xué)信號(hào)（例如壓力、應(yīng)變、剪切和振動(dòng)等）的穿戴式和植入式傳感可以實(shí)現(xiàn)多種人體集成應(yīng)用，包括皮膚上的生命體征監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)跟蹤、體內(nèi)器官狀況監(jiān)測(cè)以及缺失/受損機(jī)械感知功能的恢復(fù)等方面。這些傳感器與人體皮膚和組織的機(jī)械適配性對(duì)于提高其生物相容性和傳感精度至關(guān)重要。因此，近十年來，軟體機(jī)械傳感器的研發(fā)取得了重大進(jìn)展。為了滿足不同穿戴式和植入式應(yīng)用的要求，軟體機(jī)械傳感器被賦予了各種額外特性，以使其更適合人體集成應(yīng)用的各種環(huán)境。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，美國(guó)芝加哥大學(xué)（The University of Chicago）的科研團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)探討了四種主要類型的軟體機(jī)械傳感器：壓力、應(yīng)變、剪切和振動(dòng)（如圖1所示）。該研究首先討論了近期在材料和器件設(shè)計(jì)上的創(chuàng)新，以實(shí)現(xiàn)柔性與可拉伸性、生物可吸收性與生物可降解性、自修復(fù)性、透氣性、透明度、無線通信能力以及高密度集成等重要性能。隨后，總結(jié)了這類新型軟體機(jī)械傳感器在穿戴式和植入式應(yīng)用中的研究現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了未來的研究需求。這篇綜述以“Soft mechanical sensors for wearable and implantable applications”為主題發(fā)表在WIREs Nanomedicine and Nanobiotechnology期刊上，通訊作者為Sihong Wang。

圖1 各種類型的機(jī)械傳感器和功能（左）以及與人體集成的應(yīng)用（右）

軟體機(jī)械傳感器的主要類型

軟體機(jī)械傳感器主要有“壓力、應(yīng)變、剪切和振動(dòng)”四大類型，不同類型的軟體機(jī)械傳感器的一般設(shè)計(jì)因素和策略各不相同（如圖2所示）。

圖2 四大類軟體機(jī)械傳感器的基本工作原理、設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及其中微觀結(jié)構(gòu)示例

軟體壓力傳感器：一般來說，軟體壓力傳感器被設(shè)計(jì)成將沿法向軸的變形轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（讀出信號(hào)）。在軟體壓力傳感器中，通過使用低模量有機(jī)硅或中空/多孔結(jié)構(gòu)，這種幾何變化被進(jìn)一步增強(qiáng)。

軟體應(yīng)變傳感器：應(yīng)變傳感器將拉伸變形轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。它們主要用于運(yùn)動(dòng)跟蹤、記錄生命體征（如脈搏）和監(jiān)測(cè)器官/組織的運(yùn)作。應(yīng)變傳感器通過電參數(shù)的變化來響應(yīng)面內(nèi)變形。針對(duì)特定應(yīng)用，應(yīng)變傳感器需要具有足夠的拉伸性才能滿足應(yīng)變范圍的檢測(cè)要求。

軟體剪切傳感器：剪切傳感器測(cè)量與表面相切的力。在人體應(yīng)用中，它們通常被用于檢測(cè)皮膚上的摩擦力。

軟體振動(dòng)傳感器：振動(dòng)傳感器將高頻且通常為低振幅的機(jī)械變形轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。生物電子學(xué)中常見的振動(dòng)傳感包括人聲和觸覺傳感應(yīng)用中的紋理傳感。

賦予人體相容性特性

“在獲得優(yōu)異的傳感性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面應(yīng)用所需的特性”是軟體機(jī)械傳感器開發(fā)的基本目標(biāo)。

從柔性到可拉伸性：賦予傳感器柔性和可拉伸性對(duì)于實(shí)現(xiàn)與動(dòng)態(tài)曲線皮膚/組織表面的高度貼合、適應(yīng)皮膚/組織變形，并最大限度地減少不適和組織損傷至關(guān)重要。相較于傳統(tǒng)的剛性傳感器，通過使用塑料或彈性體作為襯底、使用薄膜作為功能層（如電極）等方式，可相對(duì)容易地實(shí)現(xiàn)柔性（即可彎曲性）。

圖3 實(shí)現(xiàn)柔性和可拉伸性的策略

生物可吸收性和生物可降解性：用于短期生理狀態(tài)和術(shù)后監(jiān)測(cè)的植入式傳感是軟體機(jī)械傳感器的關(guān)鍵應(yīng)用之一。因此，傳感器在生理?xiàng)l件下降解成無毒物質(zhì)的能力（即生物可吸收性），是一項(xiàng)非常重要的功能。

圖4 生物可吸收和生物可降解的機(jī)械傳感器示例

自愈性：賦予傳感器自愈特性可以提升其抵御意外物理損壞的能力，并延長(zhǎng)器件功能的持續(xù)時(shí)間。自愈性主要是通過使用能夠進(jìn)行可逆動(dòng)態(tài)鍵合（如氫鍵合）的材料來實(shí)現(xiàn)的。

透氣性：確保器件透氣性對(duì)于最大限度減少佩戴穿戴式傳感器引起的不適和皮膚刺激至關(guān)重要。具體而言，透氣性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)空氣和水蒸氣的滲透性，以便汗液自由蒸發(fā)。傳感器的透氣性主要通過使用具有多孔形態(tài)（如纖維或海綿狀結(jié)構(gòu)）的傳感器組件來實(shí)現(xiàn)。

圖5 具備自愈性和透氣性的傳感器示例

透明度：某些特殊應(yīng)用需要透明傳感器，例如具有眼壓傳感功能的智能隱形眼鏡或用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)或機(jī)械生理信號(hào)（如心率或呼吸速率）的隱形穿戴式傳感器。機(jī)械傳感器的有源層和襯底層的透明度是通過使用本質(zhì)透明的材料以及高度多孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。

無線通信：機(jī)械傳感器的無線通信能力對(duì)于從穿戴式和植入式機(jī)械傳感器中更便捷且連續(xù)地收集數(shù)據(jù)至關(guān)重要。已報(bào)道的無線通信方法包括藍(lán)牙（Bluetooth）、近場(chǎng)通信（NFC）和射頻識(shí)別（RFID）。

微型化和高密度集成：除了感知機(jī)械激勵(lì)的大小外，機(jī)械傳感器還需具備對(duì)其進(jìn)行空間分辨映射的能力，這對(duì)許多應(yīng)用（例如穿戴式觸摸面板、假肢等）至關(guān)重要。這種特性在電子皮膚（e-skins）的壓力傳感環(huán)境中尤為重要，考慮到人體皮膚的高空間分辨率，傳感器像素尺寸可能需要控制在1 mm -2 mm。

圖6 透明、無線通信和高密度陣列集成的傳感器示例

穿戴式和植入式應(yīng)用

穿戴式應(yīng)用：軟體機(jī)械傳感器的穿戴式應(yīng)用范圍廣泛，涵蓋假肢皮膚到植入式器件。軟體機(jī)械傳感器的高適配性使其能夠與軟生物組織密切接觸，并最大限度減少傳感器偽影?？傮w而言，已展示的穿戴式生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用主要包括以下幾類：用于觸覺恢復(fù)的機(jī)械感知、用于連續(xù)健康監(jiān)測(cè)的生理信號(hào)傳感、用于跟蹤肌肉骨骼功能的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)以及用于穿戴式麥克風(fēng)的聲學(xué)傳感。

圖7 穿戴式應(yīng)用示例

植入式應(yīng)用：植入式機(jī)械傳感器有望為組織/器官監(jiān)測(cè)、術(shù)后監(jiān)測(cè)和缺失的組織/器官功能恢復(fù)提供寶貴的信息。由于這些傳感器需要與人體內(nèi)部器官密切接觸，生物相容性是一個(gè)關(guān)鍵因素。此外，為實(shí)現(xiàn)完全植入的傳感功能和在傳感器壽命結(jié)束時(shí)無需手術(shù)移除的需求，如無線通信能力和生物可吸收特性等額外功能也是必要的。迄今為止，在植入式組織/器官監(jiān)測(cè)、術(shù)后監(jiān)測(cè)、缺失的組織/器官功能恢復(fù)三大主要應(yīng)用方向上，軟體機(jī)械傳感器取得了顯著進(jìn)展。

圖8 植入式應(yīng)用示例

在這篇綜述中，研究人員主要討論了面向穿戴式和植入式應(yīng)用的軟體機(jī)械傳感器的主要類型，以及一些實(shí)現(xiàn)這些不同應(yīng)用的特定功能的常見策略。總而言之，軟體機(jī)械傳感器代表了一類新興的生物電子器件，具備實(shí)現(xiàn)高精度、高舒適性的機(jī)械生物數(shù)據(jù)連續(xù)監(jiān)測(cè)的潛力，從而在電子皮膚、生理和術(shù)后監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)跟蹤以及器官功能恢復(fù)等領(lǐng)域展現(xiàn)出令人期待的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/wnan.1961

審核編輯：劉清