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  呼吸系統(tǒng)疾病是一種常見(jiàn)病、多發(fā)病，隨著全球人口老齡化和大氣污染的加劇，各種呼吸系統(tǒng)疾病的患病率不斷上升。通過(guò)呼吸傳感器對(duì)人體的呼吸狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，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(tǒng)疾病的預(yù)測(cè)和診斷提供關(guān)鍵信息。

  目前臨床用于呼吸檢測(cè)的醫(yī)療設(shè)備雖然具有較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，但因其操作復(fù)雜、便攜性差、功耗高等問(wèn)題，對(duì)于需要長(zhǎng)期連續(xù)呼吸監(jiān)測(cè)的慢性呼吸系統(tǒng)疾病風(fēng)險(xiǎn)人群的適用性較差。因此，需要開(kāi)發(fā)一種低功耗、便攜、可穿戴、監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度高的呼吸傳感系統(tǒng)。納米發(fā)電機(jī)無(wú)需外部電源，可以將人體的呼吸運(yùn)動(dòng)或氣流直接轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，用于人體的呼吸監(jiān)測(cè)。然而，目前基于納米發(fā)電機(jī)構(gòu)建的呼吸傳感器通常會(huì)存在：傳感器件與人體組織模量不匹配，監(jiān)測(cè)時(shí)易受到來(lái)自身體其他部位運(yùn)動(dòng)干擾，以及長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)下的穩(wěn)定性等問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，北京理工大學(xué)鄧玉林教授團(tuán)隊(duì)和北京納米能源與系統(tǒng)研究所李舟研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種仿鯊魚(yú)鰓的可拉伸分級(jí)多通道自驅(qū)動(dòng)呼吸傳感器，實(shí)現(xiàn)了與人體組織模量的有效匹配，具有良好呼吸監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的同時(shí)兼具一定的抗干擾能力。

圖1. 鯊魚(yú)呼吸時(shí)的鰓部運(yùn)動(dòng)（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

  鯊魚(yú)在呼吸時(shí)會(huì)伴隨著鰓裂結(jié)構(gòu)有節(jié)律的收縮和舒張，在鰓部肌肉的協(xié)調(diào)控制下，幾對(duì)鰓裂的開(kāi)合與關(guān)閉同步進(jìn)行（圖1）。受到鯊魚(yú)鰓裂結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，基于多層有機(jī)硅彈性體，一種可以將橫向形變轉(zhuǎn)換為縱向形變的彈性變形結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)出，基于該結(jié)構(gòu)成功構(gòu)建了柔性可拉伸的多通道復(fù)合式納米發(fā)電機(jī)。平行排列的條狀發(fā)電單元模仿了鯊魚(yú)的鰓裂結(jié)構(gòu)，條帶底部的PDMS層類(lèi)似于鰓弓軟骨，起支撐條帶結(jié)構(gòu)的作用，中間的PVDF層相當(dāng)于鰓絲，是進(jìn)行電能轉(zhuǎn)化的核心部件，基底層的銀納米線(xiàn)區(qū)域如同鰓囊，是器件進(jìn)行電能轉(zhuǎn)化的主要區(qū)域。條狀發(fā)電單元兩側(cè)的硅膠如同鰓部肌肉，將這些條帶與整個(gè)支撐基底層有效地連接在一起。這種仿鯊魚(yú)鰓結(jié)構(gòu)的納米發(fā)電機(jī)受到來(lái)自橫向（長(zhǎng)軸方向）的機(jī)械牽拉時(shí)，會(huì)自發(fā)轉(zhuǎn)換為縱向的彈性形變，從而驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的發(fā)電單元工作并產(chǎn)生電信號(hào)輸出（圖2）。

圖2. 仿鯊魚(yú)鰓納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和仿生原理

  通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，成功構(gòu)建了可以對(duì)不同拉伸應(yīng)變程度逐級(jí)響應(yīng)的柔性多通道仿鯊魚(yú)鰓呼吸傳感器（Bionic shark gill structure-respiratory sensor，BSG-RS）。BSG-RS具有良好的柔性，可拉伸性，和抗疲勞性，同時(shí)對(duì)不同程度的拉伸應(yīng)變具有分級(jí)的電學(xué)響應(yīng)特性，在用于人體呼吸運(yùn)動(dòng)傳感時(shí)可以同時(shí)檢測(cè)呼吸速率和呼吸深度。基于BSG-RS還開(kāi)發(fā)了一套可穿戴的無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)呼吸監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)（圖3），可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體在多種體態(tài)以及不同呼吸方式下的呼吸運(yùn)動(dòng)，通過(guò)軟件對(duì)多個(gè)通道采集到的呼吸波形信號(hào)處理分析，結(jié)合模式識(shí)別算法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同呼吸狀態(tài)的有效識(shí)別。這種基于BSG-RS的呼吸傳感系統(tǒng)具有與人體組織模量相匹配的核心工作部件，同時(shí)多個(gè)通道的設(shè)計(jì)使其具有一定的抗干擾能力，在長(zhǎng)期測(cè)試下的具有良好的穩(wěn)定性和耐久性，在未來(lái)有望應(yīng)用于移動(dòng)式、家居式的醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)與輔助診斷。

圖3. 基于BSG-RS的無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)呼吸監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)

  相關(guān)成果以“Stretchable graded multichannel self-powered respiratory sensor inspired by shark gill”為題近日發(fā)表于由國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)主辦的高起點(diǎn)、高水平綜合期刊Fundamental Research。論文的第一作者是北京理工大學(xué)博士后鄒洋和廣西大學(xué)博士蓋延松，通訊作者是北京理工大學(xué)鄧玉林教授和北京納米能源與系統(tǒng)研究所李舟研究員。

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325822000425