Science Advances：全织物摩擦纳米发电机压力传感及健康监测智能服装及系统

根据世界卫生组织统计数据显示，心血管疾病已成为威胁人体健康的“第一杀手”，全球5690万例死亡人群中，约有1790万人死于心血管疾病，占全球死亡总数的31%，其中，85%死于心脏病和中风，我国也是心血管疾病大国，心血管病患病人数达2.9亿。面对心血管疾病的威胁，人们从最初的“治已病”转向聚焦“治未病”，实现疾病的早发现、早预防、早治疗。临床上采用的大多数检测方法由于其昂贵的价格、笨重的器械不适合疾病的预防监测，可穿戴式技术作为一种新兴的健康监测手段，可以实现对心血管相关生理参数的实时、连续监测。

2015年，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士和重庆大学杨进教授团队以人体脉搏作为监测对象，通过仿生耳膜结构结合摩擦纳米发电机工作原理，研制了采用柔性薄膜基底的人体体表脉搏压力传感器，成功获得了体表脉搏压力信号（Adv. Mater. 2015, DOI: 10.1002/adma.201404794），随后，研究了系列薄膜式脉搏压力传感器和心血管健康监测技术，其中包括人体传感监测网络（2017, ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.7b02975）、无绣带血压监测（Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201806388）、手指端脉搏监测（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, DOI: 10.1021/acsami.9b12747）等。这些器件和技术成功实现了对心血管系统健康状态的AIx、RI、PWV和血压等参数监测。然而，与其他可穿戴柔性传感器一样均需要基底进行支撑，透气和舒适性不够，长期使用可能会使佩戴者皮肤不适。在这样情况下，如何同时保证可穿戴电子的传感性能和舒适性还需在传感机理、材料和结构上深入研究。

针对上述问题，2020年3月，研究团队在Science Advances上发表了题为“Machine-knitted washable sensor array textile for precise epidermal physiological signal monitoring”的研究论文，报道了一种基于摩擦电纳米发电机的多功能压力全织物传感器，具有可工业化批量编织、耐机洗、重复使用、高灵敏度传感和穿戴舒适等性能。以制备的导电和尼龙纱线为传感织物材料，采用畦编的机器编织方法制备出全织物传感器，压力灵敏度为7.84 mV/Pa，响应时间为20ms。该织物传感器可独立编织成颈带、护腕、袜子和手套，对脖子、手腕、脚踝和手指等不同身体部位处的脉搏进行探测，同时，也可以方便、轻松地和衣物编织在一起，形成具有传感功能的智能服装，用于呼吸和脉搏的多功能传感，这两类重要生理信号的监测可实现睡眠呼吸暂停综合症和心血管疾病的实时、长期监测，在个性医疗、治未病等方面有着广泛的应用前景。该研究工作得到了国家自然科学基金等项目资助。

【图文简介】

图1 全织物传感器结构与制备

(A) 缝制在袖口和胸口的传感器监测呼吸和脉搏；

(B) 传感器与衣服编织示意图；

(C) 导电纱线实物照片及SEM图；

(D) 尼龙纱线实物照片及SEM图；

(E) 织物传感器机器编织；

(F) 不同颜色的传感器照片；

(G) 缝制了两个传感器的智能衣服。

图2 全织物传感和服装用于体表脉搏和呼吸生理信号实时、长期监测

(A) 放置在胸部的传感器测量呼吸的照片；

(B) 放置在胸部的传感器电压-时间关系图；

(C) 将信号(B)分解为心脏搏动和呼吸波形；

(D) 睡眠期间，在胸部和手腕分别放置两个传感器测量呼吸和脉搏；

(E) 健康人的呼吸和脉搏信号；

(F) 睡眠呼吸暂停综合征患者的呼吸和脉搏信号；

(G) 健康人的呼吸信号和脉搏传导时间变化；

(H) 睡眠呼吸暂停综合征患者的呼吸信号和脉搏传导时间变化；

(I) 脉搏传导时间觉醒指数与呼吸不足指数(AHI)的关系。

文献链接：Machine-knitted washable sensor array textile for precise epidermal physiological signal monitoring (Science Advances, 2020, DOI: 10.1126/sciadv.aay2840)