受鯊魚鰓啟發的可拉伸自驅動分級呼吸傳感器

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關鍵詞：仿生 ， 鯊魚鰓 ， 可拉伸 ， 自驅動 ， 呼吸傳感
呼吸系統疾病是一種常見病、多發病 ， 隨著全球人口老齡化和大氣污染的加劇 ， 各種呼吸系統疾病的患病率不斷上升 。 通過呼吸傳感器對人體的呼吸狀態進行檢測 ， 可以獲取呼吸頻率、呼吸深度等重要的生理信息 ， 直接或間接反映人體的生理健康狀況 ， 為慢性阻塞性肺部疾病、囊性纖維化引起的呼吸功能障礙等呼吸系統疾病的預測和診斷提供關鍵信息 。 目前臨床用于呼吸檢測的醫療設備雖然具有較高的準確性和穩定性 ， 但因其操作復雜、便攜性差、功耗高等問題 ， 對于需要長期連續呼吸監測的慢性呼吸系統疾病風險人群的適用性較差 。 因此 ， 需要開發一種低功耗、便攜、可穿戴、監測準確度高的呼吸傳感系統 。 納米發電機無需外部電源 ， 可以將人體的呼吸運動或氣流直接轉換為電信號 ， 用于人體的呼吸監測 。 目前基于納米發電機構建的呼吸傳感器通常會存在傳感器件與人體組織模量不匹配 ， 監測時易受到來自身體其他部位運動干擾 ， 以及長期監測下的穩定性等問題 。
針對以上問題 ， 北京納米能源與系統研究所李舟研究員團隊和北京理工大學鄧玉林教授團隊提出了一種仿鯊魚鰓的可拉伸分級多通道自驅動呼吸傳感器 ， 實現了與人體組織模量的有效匹配 ， 具有良好呼吸監測準確性和穩定性的同時兼具一定的抗干擾能力 。 鯊魚在呼吸時會伴隨著鰓裂結構有節律的收縮和舒張 ， 在鰓部肌肉的協調控制下 ， 幾對鰓裂的開合與關閉同步進行 。 受到鯊魚鰓裂結構的啟發 ， 基于多層有機硅彈性體 ， 一種可以將橫向形變轉換為縱向形變的彈性變形結構被設計出 ， 基于該結構成功構建了柔性可拉伸的多通道復合式納米發電機 。 這種仿鯊魚鰓結構的納米發電機受到來自橫向（長軸方向）的機械牽拉時 ， 會自發轉換為縱向的彈性形變 ， 從而驅動相應的發電單元工作并產生電信號輸出（圖1） 。
通過對結構進一步優化 ， 成功構建了可以對不同拉伸應變程度逐級響應的柔性多通道仿鯊魚鰓呼吸傳感器（Bionicsharkgillstructure-respiratorysensor ， BSG-RS） 。 BSG-RS具有良好的柔性 ， 可拉伸性 ， 和抗疲勞性 ， 同時對不同程度的拉伸應變具有分級的電學響應特性 ， 在用于人體呼吸運動傳感時可以同時檢測呼吸速率和呼吸深度 。 基于BSG-RS還開發了一套可穿戴的無線實時呼吸監測與分析系統 ， 可以實時監測人體在多種體態以及不同呼吸方式下的呼吸運動 ， 通過軟件對多個通道采集到的呼吸波形信號處理分析 ， 可以實現對不同呼吸狀態的有效識別 。 這種基于BSG-RS的呼吸傳感系統具有與人體組織模量相匹配的核心工作部件 ， 同時多個通道的設計使其具有一定的抗干擾能力 ， 在長期測試下具有良好的穩定性和耐久性 ， 在未來有望應用于移動式、家居式的醫療健康監測與輔助診斷 。

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圖1.仿鯊魚鰓納米發電機的結構和仿生原理 。
以上內容節選自期刊FundamentalResearch2022年第4期發表的文章“Y.Zou,Y.Gai,P.Tan,etal.,Stretchablegradedmultichannelself-poweredrespiratorysensorinspiredbysharkgill,FundamentalResearch2(4)(2022)619-628” 。
主要作者簡介

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李舟中國科學院北京納米能源與系統研究所生物與環境平臺主任、研究員 。 國家杰出青年科學基金獲得者 ， 擔任學術期刊NanoSelect和SmartMaterialsinMedicine副主編 。 主要從事于生物電子器件、植入/穿戴的電子醫療器件、細胞生物力學等方向的研究工作 。 獲科技部、教育部、軍委科技委、國家自然科學基金委員會、北京市科委、北京市自然科學基金和華為技術公司等多項基金項目資助 。 已在NatureReviewsCardiology、NatureCommunications、ScienceAdvances等學術期刊發表論文180余篇 ， 影響因子大于10的第一作者/通訊作者論文90余篇 。 獲北京市科學技術二等獎（第一完成人）、國際醫學與生物工程聯合會（IFMBE）青年科學家獎、富士VisualSonics青年科學家獎、中國發明協會金獎等 。