模仿剪纸的心电传感器，让你感觉不到它的存在｜Applied Physics Reviews
图片来源：Cristian Bortes/Flickr, CC BY 2.0
翻译 郑歆原
编辑 武大可
可穿戴设备不断发展，能够为消费者提供的信息量越来越大，这也要求传感器也更加贴合人体的轮廓。最近，一组研究者受日本 剪纸艺术形式 Kirigami 原理启发，开发了一种新的方法，能够制造出更加柔软灵活的传感器。
Kirigami 在日本已有数百年历史，研究人员借助这一剪纸艺术设计开发一种片状传感，使这种传感器可以在收集心电数据的同时随皮肤伸展和呼吸。在发表于《应用物理评论》（Applied Physics Reviews）的论文中，日本研究人员研制的传感器利用了带有切口的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜，在其上印制银电极，以贴合人的胸部监测其心脏。
该研究的第一作者、日本大阪府立大学（Osaka Prefecture University）的竹井邦晴（Kuniharu Takei）表示，“在可穿戴性方面，通过在可变形和弯曲的 PET 上应用 Kirigami 结构，得到的薄膜能够拉伸，像绷带一样跟随皮肤和身体运动。此外，Kirigami 结构在 PET 薄膜上有物理孔洞，皮肤可以很容易地通过这些孔洞呼吸。”
与严格要求只进行折叠操作的 Origami 折纸艺术不同，Kirigami 艺术将裁剪操作也纳入了允许的范围。这种技艺使相对较硬的材料，如 PET，也能够调整形状，贴合至弯曲的表面。
随着各个公司推出的新设备在穿戴时越来越不易引起注意，人们开始关注如何从背景噪音中优化提取来自心脏的电信号。类似该小组研究的紧密贴身设备是一个有吸引力的解决方案。
该研究小组发现，传感器的最佳尺寸约为 200 平方毫米，电极之间的距离为 1.5 厘米。在这种尺寸下，他们能够从心脏检测到足够的信号用于智能手机应用程序。
团队制造出了柔性的可穿戴心电检测器，并与手机 App 无线连接。来源：竹井邦晴
竹井说：“主要的挑战是在银电极和 Kirigami 的剪切之间并非精确对齐的情况下实现 Kirigami 结构。”
他们的传感设备可以准确可靠地在多人之间传输心脏数据，并不妨碍这些人可以进行多种日常运动，例如走路或坐在椅子上工作。
该小组接下来的目标是整合更多的传感器，从皮肤表面测量多种类型的数据，以帮助疾病的早期诊断和未来的医疗试验。
“我们认为新机制或新材料的发展给该领域带来了更好的影响。”竹井说，“然而，如果传感器的稳定性不提高，即便其性能出色，也无法实际应用。”
原文链接：
https://www.eurekalert.org/news-releases/947729
【标题】Wireless, minimized, stretchable, and breathable electrocardiogram sensor system
【期刊】Applied Physics Reviews
【作者】Yan Xuan, Hyuga Hara, Satoko Honda, Yanpeng Li, Yusuke Fujita, Takayuki Arie,? Seiji Akita, and? Kuniharu Takei
【日期】29?March 2022
【DOI】https://doi.org/10.1063/5.0082863
【摘要】
Home-use, wearable healthcare devices may enable patients to collect various types of medical data during daily activities. Electrocardiographic data are vitally important. To be practical, monitoring devices must be wearable, comfortable, and stable, even during exercise. This study develops a breathable, stretchable sensor sheet by employing a kirigami structure, and we examine the size dependence of electrocardiographic sensors. Because the kirigami film has many holes, sweat readily passes through the sensor from the skin to the environment. For comfort, in addition to breathability, electrocardiographic sensor size is minimized. The limitation of the size is studied in relation to the signal-to-noise ratio of electrocardiographic signals, even under exercise. We found that the optimal size of the sensor is ～200?mm2 and the distance between electrodes is 1.5?cm. Finally, long-term wireless electrocardiographic monitoring is demonstrated using data transmission to a smart phone app during different activities.
【链接】
https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0082863
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