近年來，柔性可穿戴設(shè)備在監(jiān)測人體生物信號方面的研究取得長足進(jìn)步，使用柔性貼片隨時(shí)隨地監(jiān)測血壓、脈搏指日可待。然而，現(xiàn)有可穿戴壓力傳感器存在一個(gè)大問題：高靈敏度與寬域工作范圍無法兼得。即使是非常輕微的壓力，都會使傳感器的靈敏度大幅下降。

“柔性壓力傳感器賽道非常擁擠，經(jīng)過20年的發(fā)展，研究遇到瓶頸，因?yàn)槿匀粵]有很好的辦法能夠解決壓力和靈敏度之間的矛盾，”魯南姝說。

近期，魯南姝帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)通過創(chuàng)新有史以來第一個(gè)混合傳感器方法來填補(bǔ)這一空白，“這是第一個(gè)利用壓阻-壓容混合響應(yīng)來承受壓力而不顯著降低靈敏度的傳感器。”她表示。

魯南姝課題組發(fā)明的“復(fù)合響應(yīng)”壓力傳感器近期在《先進(jìn)材料》上發(fā)表。

通過導(dǎo)電的多孔狀微結(jié)構(gòu)與超薄絕緣層的結(jié)合，研究員們首次發(fā)現(xiàn)分布式壓電電阻和壓電電容的混合響應(yīng)能夠使得柔性壓力傳感器兼具高靈敏度和寬域工作范圍。小至一種果蠅的重量（0.07pa），大到人腳踏步所產(chǎn)生的壓力（125kPa），都可以被靈敏地感應(yīng)到。

據(jù)介紹，該傳感器是由一種超高孔隙率的導(dǎo)電納米復(fù)合材料（porous nanocomposite，PNC），超薄絕緣層以及Au/PI電極復(fù)合而成。其中，多孔納米復(fù)合材料（PNC）由碳納米管（carbon nanotube，CNT）摻雜的Ecoflex硅膠構(gòu)成。

復(fù)合響應(yīng)壓力傳感器HRPS應(yīng)用演示

受試者戴上虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）頭盔，對HRPS產(chǎn)生了8kPa的預(yù)壓力，顳動脈搏動信號仍然能夠被清晰測得

為了展示傳感器對微小壓力信號的靈敏程度，研究人員測量了一只僅有0.7毫克重的果蠅、傳感器上方3厘米處的鼓風(fēng)機(jī)吹出的氣流、三個(gè)連續(xù)降落的水滴，以及人體頸動脈和顳動脈的脈搏跳動。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，“復(fù)合響應(yīng)”壓力傳感器對果蠅自重帶來的僅有0.07kPa的壓力，以及微小氣流、水滴滴落時(shí)引起的壓力響應(yīng)準(zhǔn)確且迅速，響應(yīng)時(shí)間僅為94毫秒。

在健康監(jiān)測方面，魯南姝課題組的成員此次將柔軟、輕薄的“復(fù)合響應(yīng)”壓力傳感器貼附在受試者頸動脈，可清晰探測到脈搏波動。頸動脈和額顳動脈屬于細(xì)微搏動，其測量對設(shè)備的靈敏度要求極高。

哪怕事先在傳感器上施加額外壓力，比如為受試者戴上虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔，對“復(fù)合響應(yīng)”壓力傳感器產(chǎn)生了8kPa的預(yù)壓力，顳動脈搏動信號仍然能夠被清晰測得。

“這是顳動脈搏動信號首次由電容式壓力傳感器無創(chuàng)地測量得到?！濒斈湘f道。

在對高壓力的測量中，“復(fù)合響應(yīng)”壓力傳感器也表現(xiàn)出良好的靈敏度。論文的補(bǔ)充視頻中，小組成員將“復(fù)合響應(yīng)”壓力傳感器貼在一位體重為80kg的受試者的腳掌上，測量其在瑜伽墊上行走產(chǎn)生的壓強(qiáng)，最終測量的最大記錄值為125kPa，這一數(shù)字與此前其他研究測得人腳行走產(chǎn)生的壓強(qiáng)一致。

此次研究主要展示了“復(fù)合響應(yīng)”壓力傳感器在人體健康監(jiān)測上的應(yīng)用，除此之外，魯南姝對他們研制的柔性傳感器還有更宏偉的愿景。她正在研究如何將這種柔性傳感器包裹在其他柔軟物體上（如機(jī)器人手），使其具有人類皮膚的敏感性。通過模擬人類真實(shí)的觸感，讓機(jī)器人擁有通過觸摸來識別物體的能力。

2012年，魯南殊憑借“電子紋身”的發(fā)明入選《麻省理工科技評論》“35歲以下科技創(chuàng)新35人”全球區(qū)域的榜單評選。

傳統(tǒng)的智能穿戴設(shè)備體積較大，攜帶不便，穿戴舒適度欠佳。而“電子紋身”具有無創(chuàng)、輕薄以及極佳的形變能力，并將心電，肌電，腦電等多種身體信息傳輸?shù)绞謾C(jī)、電腦等終端。這種一次性電子貼片在醫(yī)療或人機(jī)交互領(lǐng)域都具有極大的市場前景，被認(rèn)為是“可穿戴設(shè)備的終極傳感器形態(tài)”。

多層、模塊化“電子紋身”可實(shí)現(xiàn)無線充電和無線數(shù)據(jù)傳輸

魯南姝曾于清華大學(xué)和哈佛大學(xué)分別取得了學(xué)士學(xué)位和博士學(xué)位，后來在伊利諾伊大學(xué)香檳分校以貝克曼博士后研究員身份開展工作。她的研究領(lǐng)域涉及柔性電子的力學(xué)、材料、制造和人體集成等多個(gè)方向。

當(dāng)下，魯南姝從兩方面來建構(gòu)自己的科研大廈，一是電子紋身，輕薄、柔軟的特性使其能夠良好貼合人體皮膚，捕捉生物信號，傳感人類的生命體征。人體是一種模擬生物信號系統(tǒng)，而機(jī)器和電子世界則是數(shù)字的。因此若想實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，人需要“數(shù)字化”，“電子紋身”被認(rèn)為是人類“數(shù)字化”的有效途徑之一。

多層、模塊化“電子紋身”可實(shí)現(xiàn)無線充電和無線數(shù)據(jù)傳輸

另一個(gè)是電子皮膚，通過柔性壓力、溫度等傳感器，讓軟機(jī)器人擁有類似于人類皮膚的敏感性，賦予其生動的觸覺、視覺、聽覺、味覺和嗅覺等感知能力。此次發(fā)表的研究便是一種新型的混合相應(yīng)電子皮膚，拓寬傳感器的壓力工作范圍，并保持觸覺靈敏度。

魯南姝的終極目標(biāo)是能夠完成人機(jī)交互的閉環(huán)：人體通過電子紋身實(shí)現(xiàn)與數(shù)字世界的鏈接，機(jī)器人則通過電子皮膚模擬人類感知環(huán)境。因此，她的團(tuán)隊(duì)一直圍繞“柔性生物電子系統(tǒng)”在以下四個(gè)方面展開研究：

第一是柔性/可拉伸結(jié)結(jié)構(gòu)力學(xué)研究。如被動型和主動型（壓電）蜿蜒帶狀結(jié)構(gòu)的變形機(jī)理以及由于多層柔性電子的層間楊氏模量失配導(dǎo)致的上下層彎曲解耦。

第二是二維材料和納米材料，包括石墨烯電子紋身，二維材料形成的納米氣泡和納米帳篷機(jī)理，以及PNC。

第三是制備工藝和轉(zhuǎn)印技術(shù)，包括無線電子紋身的“切割—焊接—粘貼”工藝和水輔助轉(zhuǎn)印。

第四是生物-電子界面，包括器件與不平生物組織表面的共形機(jī)理，受剪紙啟發(fā)的可共形人造視網(wǎng)膜，以及表面凹坑陣列帶來的穩(wěn)定且可重復(fù)使用的干性粘結(jié)界面。

在問到自己最期待的應(yīng)用場景時(shí)，魯南姝說道：“我個(gè)人偏向于醫(yī)療方向的應(yīng)用，尤其是養(yǎng)老”談到養(yǎng)老問題時(shí)，她有些許的動容，并用到“鞭長莫及”來形容。

魯南姝的奶奶、外公、外婆已年近百歲，但她長期在國外，受疫情的影響無法隨時(shí)回到國內(nèi)照顧家中的父母與老人。通過電子紋身實(shí)時(shí)監(jiān)測老人活動與健康，通過機(jī)器人護(hù)工彌補(bǔ)有的巨大缺口和市場的養(yǎng)老問題，是魯南姝所期待的未來，“在欠發(fā)達(dá)地區(qū)，護(hù)工非常缺乏，有能力且溫柔的護(hù)工更是。為機(jī)器人制作電子皮膚，讓其擁有匹敵人類的溫柔與觸感，將能很大程度上緩解這類職業(yè)缺口?！北粏柤叭斯ぶ悄苋〈祟惞ぷ鞯膯栴}時(shí)，魯南姝說：“人類情感交流不可替代，但事務(wù)性工作可以?！?/p>

中社科院老年研究所估計(jì)，中國養(yǎng)老市場的商機(jī)約4萬億元，到2030年有望增至13萬億元。“養(yǎng)老服務(wù)業(yè)在凸顯出民生事業(yè)特征的同時(shí)也彰顯出其作為朝陽產(chǎn)業(yè)的巨大吸引力?！?/p>

第7次人口普查數(shù)據(jù)顯示，我國65歲以上的老齡人口達(dá)到1.9億人，占比達(dá)13.5%，中國正在加速進(jìn)入老齡化社會。傳統(tǒng)養(yǎng)老模式已無法全盤適應(yīng)當(dāng)前需求，通過科技手段尋求新型多元復(fù)合治理方案解決老年人多層次需求成為必然趨勢，魯南姝以及其他科研人員的研究，將會是未來“智慧養(yǎng)老”圖景不可或缺的一小片拼圖。（綜合整理報(bào)道）（編輯/小美）