受鲨鱼鳃启发的可拉伸自驱动分级呼吸传感器

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关键词：仿生 ， 鲨鱼鳃 ， 可拉伸 ， 自驱动 ， 呼吸传感
呼吸系统疾病是一种常见病、多发病 ， 随着全球人口老龄化和大气污染的加剧 ， 各种呼吸系统疾病的患病率不断上升 。 通过呼吸传感器对人体的呼吸状态进行检测 ， 可以获取呼吸频率、呼吸深度等重要的生理信息 ， 直接或间接反映人体的生理健康状况 ， 为慢性阻塞性肺部疾病、囊性纤维化引起的呼吸功能障碍等呼吸系统疾病的预测和诊断提供关键信息 。 目前临床用于呼吸检测的医疗设备虽然具有较高的准确性和稳定性 ， 但因其操作复杂、便携性差、功耗高等问题 ， 对于需要长期连续呼吸监测的慢性呼吸系统疾病风险人群的适用性较差 。 因此 ， 需要开发一种低功耗、便携、可穿戴、监测准确度高的呼吸传感系统 。 纳米发电机无需外部电源 ， 可以将人体的呼吸运动或气流直接转换为电信号 ， 用于人体的呼吸监测 。 目前基于纳米发电机构建的呼吸传感器通常会存在传感器件与人体组织模量不匹配 ， 监测时易受到来自身体其他部位运动干扰 ， 以及长期监测下的稳定性等问题 。
针对以上问题 ， 北京纳米能源与系统研究所李舟研究员团队和北京理工大学邓玉林教授团队提出了一种仿鲨鱼鳃的可拉伸分级多通道自驱动呼吸传感器 ， 实现了与人体组织模量的有效匹配 ， 具有良好呼吸监测准确性和稳定性的同时兼具一定的抗干扰能力 。 鲨鱼在呼吸时会伴随着鳃裂结构有节律的收缩和舒张 ， 在鳃部肌肉的协调控制下 ， 几对鳃裂的开合与关闭同步进行 。 受到鲨鱼鳃裂结构的启发 ， 基于多层有机硅弹性体 ， 一种可以将横向形变转换为纵向形变的弹性变形结构被设计出 ， 基于该结构成功构建了柔性可拉伸的多通道复合式纳米发电机 。 这种仿鲨鱼鳃结构的纳米发电机受到来自横向（长轴方向）的机械牵拉时 ， 会自发转换为纵向的弹性形变 ， 从而驱动相应的发电单元工作并产生电信号输出（图1） 。
通过对结构进一步优化 ， 成功构建了可以对不同拉伸应变程度逐级响应的柔性多通道仿鲨鱼鳃呼吸传感器（Bionicsharkgillstructure-respiratorysensor ， BSG-RS） 。 BSG-RS具有良好的柔性 ， 可拉伸性 ， 和抗疲劳性 ， 同时对不同程度的拉伸应变具有分级的电学响应特性 ， 在用于人体呼吸运动传感时可以同时检测呼吸速率和呼吸深度 。 基于BSG-RS还开发了一套可穿戴的无线实时呼吸监测与分析系统 ， 可以实时监测人体在多种体态以及不同呼吸方式下的呼吸运动 ， 通过软件对多个通道采集到的呼吸波形信号处理分析 ， 可以实现对不同呼吸状态的有效识别 。 这种基于BSG-RS的呼吸传感系统具有与人体组织模量相匹配的核心工作部件 ， 同时多个通道的设计使其具有一定的抗干扰能力 ， 在长期测试下具有良好的稳定性和耐久性 ， 在未来有望应用于移动式、家居式的医疗健康监测与辅助诊断 。

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图1.仿鲨鱼鳃纳米发电机的结构和仿生原理 。
以上内容节选自期刊FundamentalResearch2022年第4期发表的文章“Y.Zou,Y.Gai,P.Tan,etal.,Stretchablegradedmultichannelself-poweredrespiratorysensorinspiredbysharkgill,FundamentalResearch2(4)(2022)619-628” 。
主要作者简介

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李舟中国科学院北京纳米能源与系统研究所生物与环境平台主任、研究员 。 国家杰出青年科学基金获得者 ， 担任学术期刊NanoSelect和SmartMaterialsinMedicine副主编 。 主要从事于生物电子器件、植入/穿戴的电子医疗器件、细胞生物力学等方向的研究工作 。 获科技部、教育部、军委科技委、国家自然科学基金委员会、北京市科委、北京市自然科学基金和华为技术公司等多项基金项目资助 。 已在NatureReviewsCardiology、NatureCommunications、ScienceAdvances等学术期刊发表论文180余篇 ， 影响因子大于10的第一作者/通讯作者论文90余篇 。 获北京市科学技术二等奖（第一完成人）、国际医学与生物工程联合会（IFMBE）青年科学家奖、富士VisualSonics青年科学家奖、中国发明协会金奖等 。