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  近期，清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院/北京清華長庚醫(yī)院李舟教授和鄒洋副研究員團(tuán)隊，針對個性化心血管健康監(jiān)測中無創(chuàng)監(jiān)測方法存在的傳感器-皮膚界面不穩(wěn)定、生理與解剖學(xué)差異以及準(zhǔn)確性與舒適度難以兼顧等問題，提出了一種受章魚吸盤啟發(fā)的仿生表皮傳感吸盤（Biomimetic Epidermal Sensing Sucker, BESS）。

  BESS采用“適形生理傳感 + 原位壓力調(diào)制”的設(shè)計理念：通過負(fù)壓吸附實現(xiàn)對動脈部位的穩(wěn)定貼合，并利用自適應(yīng)壓力調(diào)制增強脈搏信號幅度，從而實現(xiàn)最佳檢測，有效解決個體差異帶來的影響。同時，BESS借鑒中醫(yī)脈診原理，通過施加增量垂直壓力，在局部動脈血管中誘導(dǎo)應(yīng)力激勵，捕捉脈搏振蕩波，并將其量化以挖掘傳統(tǒng)脈診信息。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊利用BESS獲取的豐富脈搏特征，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)方法，將經(jīng)典示波法與脈搏波特征分析相融合，開發(fā)出一種無袖帶血壓（Blood Pressure, BP）估計系統(tǒng)。該系統(tǒng)無需阻斷動脈血流，即可實現(xiàn)高精度血壓估計（收縮壓：1.36±3.81 mmHg，舒張壓：1.15±2.94 mmHg）。該研究通過仿生學(xué)與智能傳感技術(shù)的跨學(xué)科融合，為個性化心血管監(jiān)測提供了一條兼顧準(zhǔn)確性、舒適性和可解釋性的全新路徑。

  該工作以“A Biomimetic Epidermal Sensing Sucker via Stress Excitation for Personalized Cardiovascular Monitoring”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上（Adv. Funct. Mater. 2025, e14598）。文章第一作者是廣西大學(xué)和北京納米能源與系統(tǒng)研究所聯(lián)合培養(yǎng)博士生王逸謙，通訊作者為清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院/北京清華長庚醫(yī)院李舟教授和北京清華長庚醫(yī)院鄒洋副研究員。該研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、國家博士后創(chuàng)新人才支持計劃、中國博士后科學(xué)基金支持。

圖1 仿生表皮傳感吸盤（BESS）和智能血壓（BP）估算系統(tǒng)的設(shè)計。a） BESS 的生物學(xué)靈感和章魚吸盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。b） BESS 結(jié)構(gòu)的示意圖和對象演示。c） 感應(yīng)耦合等離子體（ICP）蝕刻后聚酰亞胺表面壓力傳感單元和掃描電子顯微鏡圖像的結(jié)構(gòu)演示。d） BESS 借鑒了中藥中壓力加載的方式：浮動、中等、下沉。施加在測試部位皮膚表面的壓力是通過調(diào)整 BESS 內(nèi)部氣壓的大小來控制的。e） BESS和智能血壓估算系統(tǒng)的工作流圖。

  BESS的靈感源自章魚吸盤。與以往只模仿結(jié)構(gòu)或單一粘附功能的設(shè)計不同，BESS在仿生的同時，融合了負(fù)壓吸附、壓力調(diào)節(jié)和信號傳感三大功能，實現(xiàn)了多維度的創(chuàng)新（圖1a）。

  研究團(tuán)隊通過模仿章魚吸盤的凹形結(jié)構(gòu)和主動加壓機(jī)制，設(shè)計出一種柔性、可自適應(yīng)的仿生傳感器（圖1b）。BESS能夠跨不同動脈部位（顳淺動脈、肱動脈、橈動脈）實現(xiàn)穩(wěn)定貼合和高質(zhì)量信號采集，并通過自適應(yīng)壓力調(diào)制顯著增強脈搏信號幅度。其核心結(jié)構(gòu)包括：

• 適形吸附單元：實現(xiàn)穩(wěn)定固定；

• 垂直加壓單元：施加可控壓力；

• 傳感單元：高靈敏檢測細(xì)微機(jī)械信號（圖1c）。

  在中醫(yī)脈診中，醫(yī)生會通過不同壓力獲得不同的脈搏信息。BESS借鑒這一原理，采用應(yīng)力激勵策略，在連續(xù)加壓過程中捕捉脈搏的動態(tài)響應(yīng)（圖1d）。這樣不僅能增強脈搏信號，還能將傳統(tǒng)脈診信息轉(zhuǎn)化為可量化的數(shù)據(jù)。

  當(dāng)逐步增加壓力時，BESS采集到的脈搏信號會先增強后減弱，與經(jīng)典振蕩法中的血壓波形高度一致（圖1e）。進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊將BESS獲取的脈搏特征與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，融合示波法與脈搏波特征分析，并基于XGBoost模型建立起穩(wěn)健的血壓估算方法。最終，構(gòu)建了一套智能、無袖帶血壓評估系統(tǒng)：由BESS采集信號，經(jīng)算法分析，實時輸出血壓結(jié)果到用戶界面。

圖2 保形吸附單元的吸附性能表征。a） 保形吸附單元的靈感和仿生設(shè)計。b） 具有四種不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)（橢球形、金字塔形、圓柱形和非結(jié)構(gòu)化）的保形吸附單元的示意圖。c） 上端固定在夾具上，下部吸附在測試表面的保形吸附單元的吸附能力測試場景。d） 吸附能力測試時保形吸附單元內(nèi)負(fù)壓的變化和數(shù)字測力計均勻向上拉動時拉力的變化。e–h） 在干式硅片、濕式硅片、干式豬皮和濕式豬皮表面對四種不同結(jié)構(gòu)的吸盤進(jìn)行最大分離力測試。i） 120 秒內(nèi)保形吸附單元內(nèi)負(fù)壓的變化。

圖3 垂直壓力加載裝置的加壓能力表征。a） 垂直壓力負(fù)載能力測試方法示意圖。b） 使用測功機(jī)測試加壓能力的場景。c） 波紋管和橢球體垂直壓力加載單元在 0–60 kpa 時膨脹的比較。d） 在無吸附的情況下，在-90 kPa的恒定氣壓下，對波紋管和橢球壓力加載單元中的應(yīng)力分布進(jìn)行了有限元模擬。e）在-90 kPa恒定氣壓下，在吸附下對波紋管和橢球壓力加載單元底面的應(yīng)力分布進(jìn)行了有限元模擬。f） 波紋管形和橢球形在吸附（?50 kPa）和非吸附狀態(tài)下的加載壓力變化。g） 波紋管直徑對增壓能力的影響。不同直徑波紋管形立式加載裝置在非吸附狀態(tài)下的增壓能力隨內(nèi)部氣壓的變化。h）波紋管結(jié)構(gòu)與吸附面初始距離對增壓能力的影響。i） 在柔性體 （Bod.） 上添加粘合層 （Adh.） 和添加增強層 （Enh.） 材料對加壓能力的影響。

圖4 壓力傳感單元的性能表征和脈搏檢測能力的演示。a） 壓力傳感單元的工作原理。b） 不同厚度的基板和不同厚度的PVDF組合的壓力傳感單元的開路電壓。c） 壓力傳感單元在不同壓力下的電壓輸出。d） 壓電傳感器的物理和整體厚度演示。e） 壓電傳感器的疲勞穩(wěn)定性測試。f） 壓電傳感器將脈搏的機(jī)械信號原理性地轉(zhuǎn)換為電信號。g） 比較有和沒有微柱結(jié)構(gòu)的有限元模擬的電壓分布。h） 比較有和沒有ICP蝕刻的壓力傳感單元電壓輸出。i） 演示心電圖傳感器測量的心電圖信號。j） 同時演示壓力傳感單元測量的脈搏信號。k） 通過分析 R-R 和 P-P 間期，證明了壓力傳感單元獲取的脈搏信號與 ECG 信號之間的線性關(guān)系。b，c：數(shù)據(jù)以平均值表示± S.E.M.（n = 3 個獨立實驗）。誤差線表示平均估計值的精度。

圖5 BESS 跨個體和區(qū)域脈搏監(jiān)測的性能評估。a） 用于顳淺動脈、肱動脈和橈動脈測試的 BESS 示意圖。b） BESS 獲得的顳淺動脈、肱動脈和橈動脈的脈搏波形。c） 基于BESS的自適應(yīng)脈搏監(jiān)測系統(tǒng)的硬件和軟件框圖。d）外壓下脈搏幅值的動態(tài)響應(yīng)和量化參數(shù)。e） 隨著外部壓力增加而對脈搏進(jìn)行血流動力學(xué)模擬。f） BESS對脈搏波幅度隨壓力增加的動態(tài)響應(yīng)。g） 使用 BESS 對粗臂和細(xì)臂進(jìn)行自適應(yīng)脈搏檢測。

圖6 智能血壓估計模型的建立和BESS用于血壓估計的性能評估。a） 傳統(tǒng)的袖帶血壓監(jiān)測儀和基于 BESS 的智能血壓估算。b）基于XGBoost的BP模型構(gòu)建流程圖。c） BESS捕獲的典型脈搏振蕩波。d） 結(jié)合經(jīng)典示波和脈搏波特征方法的數(shù)據(jù)處理和特征提取過程的示意圖。e） 基于 XGBoost 的 BP 估計模型的 SBP 和 DBP 的估計值和測量值的分布。f）基于XGBoost的BP估計模型的SBP和DBP誤差分布的概率密度圖。g） 基于 XGBoost 的血壓估計模型與其他部分工作評估 SBP 的準(zhǔn)確性的比較。h） 20 名受試者的估計和測量的 SBP 和 DBP 值的分布。

  原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202514598

  課題組網(wǎng)頁：http://www.nanobiolab.cn/

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