柔性傳感器憑借其輕質(zhì)、可彎曲和可拉伸的特性，已成為可穿戴設(shè)備開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，其能夠有效貼合人體復(fù)雜的表面形態(tài)。這些傳感器不僅可以舒適地貼附在皮膚上，最大限度地提高佩戴者的舒適度，而且還表現(xiàn)出高檢測(cè)魯棒性，確保用戶的活動(dòng)自由。這一特性使柔性可穿戴傳感器在連續(xù)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用中具有無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)，特別是在跟蹤心率和脈搏等生理信號(hào)方面。與傳統(tǒng)的剛性傳感器相比，可穿戴柔性傳感器解決了設(shè)備尺寸大、佩戴不舒服的挑戰(zhàn)，可以輕松適應(yīng)各種佩戴場(chǎng)景以及個(gè)人日常醫(yī)療保健需求，特別是在個(gè)性化健康管理解決方案和醫(yī)療機(jī)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)精確、實(shí)時(shí)的健康監(jiān)測(cè)。
壓力傳感器對(duì)于人體健康監(jiān)測(cè)至關(guān)重要，其可以準(zhǔn)確檢測(cè)身體的動(dòng)態(tài)變化情況，包括呼吸、脈搏、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和肌肉收縮等生理信號(hào)，并提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以幫助識(shí)別異常或健康問(wèn)題。可穿戴壓力傳感器可實(shí)現(xiàn)連續(xù)、實(shí)時(shí)跟蹤，相比傳統(tǒng)笨重設(shè)備具有顯著優(yōu)勢(shì)。其檢測(cè)范圍必須涵蓋各種幅度運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的壓力，而靈敏度需要檢測(cè)動(dòng)態(tài)活動(dòng)過(guò)程中的細(xì)微壓力變化。因此，有效的壓力監(jiān)測(cè)需要具有寬檢測(cè)范圍和高靈敏度的傳感器。
壓力傳感器的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，例如多孔層、微圖案結(jié)構(gòu)和多層封裝，是提高器件靈敏度的常用手段。然而，受限于自身剛性及無(wú)法有效貼合的特性，傳統(tǒng)的壓力傳感器面臨越來(lái)越多的局限性，難以監(jiān)測(cè)皮膚變形和柔軟部位，進(jìn)而限制了其在高靈敏度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。
聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚乙烯醇（PVA）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）等聚合物材料是傳統(tǒng)柔性可穿戴壓力傳感器中常用的基材。然而，它們的透氣性較差，限制了傳感器的舒適度和貼合度，可能導(dǎo)致佩戴過(guò)程中的皮膚不適和炎癥。
為了克服這些挑戰(zhàn)，人們探索了紙張和紡織材料作為基材。柔性壓力傳感器的靈敏度與基材的彈性模量密切相關(guān)。彈性模量較低的材料在壓力下會(huì)發(fā)生更大的變形，從而產(chǎn)生更大的電阻變化和更高的靈敏度。基于這一點(diǎn)，這些傳感器的靈敏度仍然相對(duì)較低（1.5～298.4 kPa?1），主要是因?yàn)椴牧系膹椥阅Ａ枯^高。因此，實(shí)現(xiàn)高靈敏度和寬泛的傳感范圍來(lái)檢測(cè)脈搏和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樗褂玫牟牧媳仨毮軌蛟趬毫ο嘛@著變形，同時(shí)保持其結(jié)構(gòu)完整性，在不犧牲靈敏度或耐用性的情況下，很難實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所和青島大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)的研究人員利用二維（2D）層狀傳感器的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，提出了一種能夠監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)及預(yù)測(cè)血壓的新型可穿戴壓阻式壓力傳感器，它像人體一樣“會(huì)呼吸”——超高氣體透過(guò)率，滿足人體皮膚透氣需求，旨在為人類健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用發(fā)揮關(guān)鍵作用。該壓力傳感器將MXene納米片的優(yōu)異導(dǎo)電性與聚酯織物的獨(dú)特結(jié)構(gòu)相結(jié)合，并采用專門設(shè)計(jì)的蛇形電極圖案，確保在復(fù)雜形變下仍能保持穩(wěn)定的性能。該壓力傳感器能夠準(zhǔn)確檢測(cè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和握力分布，并能在動(dòng)態(tài)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)采集。相關(guān)研究成果已經(jīng)以“Flexible and sensitive pressure sensor with enhanced breathability for advanced wearable health monitoring”為題發(fā)表于近期的npj Flexible Electronics期刊。
MXene織物（MF）壓力傳感器的制備和應(yīng)用示意圖。a）傳感器的設(shè)計(jì)具有透氣性、柔性和舒適性。b）MXene納米片的制備，先用LiF和HCl蝕刻MAX相，然后進(jìn)行剝離處理。c）靜電紡絲制備TPU纖維膜，絲網(wǎng)印刷制備蛇形電極以提高導(dǎo)電性。d）將納米片沉積到基板上制成MXene傳感層。e）MF傳感器組裝，用于壓力和應(yīng)變檢測(cè)。f）4 x 4陣列傳感器，用于監(jiān)測(cè)手掌壓力分布。g）4 x 4陣列傳感器，檢測(cè)手腕上的脈搏波，產(chǎn)生血壓波形。h）血壓預(yù)測(cè)過(guò)程，涉及脈搏信號(hào)采集、特征提取以及血壓計(jì)測(cè)量的準(zhǔn)確性驗(yàn)證。
為了評(píng)估該MXene基柔性壓力傳感器在不同壓力條件下的應(yīng)力分布和應(yīng)變范圍，研究人員采用有限元分析（FEA）進(jìn)行了靜態(tài)應(yīng)力模擬，首先構(gòu)建了無(wú)塵織物的結(jié)構(gòu)模型。此外，研究人員還進(jìn)行了比較實(shí)驗(yàn)，以探究在560 Pa恒定壓力下，不同濃度MXene溶液（1 mg/mL、3 mg/mL、5 mg/mL 和10 mg/mL）對(duì)電阻變化的影響。結(jié)果表明，在5 mg/ml的濃度下，電阻變化幅度最大。因此，研究人員選擇了5 mg/mL溶液來(lái)制造傳感層。
MXene織物（MF）壓力傳感器性能表征
MXene織物（MF）壓力傳感器的應(yīng)用
盡管其壓力傳感器陣列捕獲的脈搏波具有精確和獨(dú)特的特征，但從脈搏信號(hào)中提取準(zhǔn)確的血壓信息仍然具有挑戰(zhàn)性。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究人員開(kāi)發(fā)了一種4?×?4電極陣列來(lái)監(jiān)測(cè)不同位置的壓力變化，從而精確識(shí)別最強(qiáng)的脈搏波信號(hào)。此外，研究人員還引入了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的線性回歸模型來(lái)預(yù)測(cè)血壓。
基于可穿戴傳感器的血壓監(jiān)測(cè)綜合評(píng)估
總結(jié)而言，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該壓力傳感器的出色性能，包括高靈敏度（652.1 kPa?1）、寬傳感范圍（60 kPa）以及快速響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間（分別為36 ms和20 ms）。此外，該壓力傳感器還能準(zhǔn)確捕捉動(dòng)脈脈搏波形。
為了增強(qiáng)其實(shí)際應(yīng)用，研究人員進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了高速數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)識(shí)別系統(tǒng)，并輔以機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）算法，從而在大量人群和不同環(huán)境中進(jìn)行精確的脈搏和血壓監(jiān)測(cè)。這一創(chuàng)新不僅為心血管疾病的早期診斷提供了寶貴數(shù)據(jù)，也凸顯了可穿戴智能設(shè)備在便攜式診斷和健康管理方面的巨大潛力。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41528-025-00469-6
