随着人们对健康监测、健康评估和疾病预警的需求不断增加，个性化的生理信号监测引起了研究者的极大兴趣。呼吸作为人体健康监测的生命体征之一，包含大量有关个体健康和潜在疾病的生理信息。对呼吸进行实时监测可以及时发现潜在的疾病风险，甚至挽救生命。然而，目前大多数呼吸监测方法存在设备笨重、结构复杂、使用不舒适、电源外置等问题，不适合随身携带和实时监测。因此，开发自供电、可穿戴的实时呼吸监测系统具有重要的意义。
中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、董凯副研究员等人开发了一种自供电螺旋纤维应变传感器（HFSS），它可以响应小于1%的微小拉伸应变。作者基于该应变传感器开发了一种自供电智能穿戴式实时呼吸监测系统，可以测量一些关键的呼吸参数，用于疾病预防和医疗诊断。该智能报警器可根据人体呼吸行为的变化自动呼叫预设的手机求助。这项工作为制造基于摩擦纳米发电机的高灵敏度应变传感器提供了一种有效的螺旋结构，并开发了可穿戴的自供电实时呼吸监测系统，在个人呼吸健康监测和智能可穿戴医疗电子设备方面显示出巨大潜力。该研究以题为“Helical Fiber Strain Sensors Based on Triboelectric Nanogenerators for Self-Powered Human Respiratory Monitoring”的论文发表在《ACS nano》上。
【传感器的设计与制备】
作者选择商用镀银尼龙纤维作为电极，选择聚四氟乙烯纤维（PTFE）和尼龙纤维作为摩擦电材料。作者通过包覆核壳纤维法将PTFE缠绕的镀银尼龙纤维（PTFE/Ag 编织纤维）和尼龙缠绕的镀银尼龙纤维（尼龙/Ag 编织纤维）交替缠绕在可拉伸的基材纤维上。PTFE纤维或尼龙纤维用作外壳纤维，镀银纤维用作芯纤维。壳纤维缠绕在芯纤维周围，并在收紧套筒中相互交织，最后通过多轴纤维缠绕机制造芯壳纤维。两个摩擦电层（PTFE 和尼龙）的接触分离可以通过 传感器的拉伸释放运动来实现。在拉伸过程中，螺旋结构沿纵向伸长，相邻的尼龙和PTFE发生分离，直至达到最大拉伸应变。
图1传感器的结构设计和制造过程
【传感器的传感机制与电输出】
传感器的工作原理是基于两种摩擦电材料（PTFE和尼龙）的耦合接触带电和静电感应。由于PTFE和尼龙的相反摩擦电极性，它们的表面上将感应出等效的正负摩擦电荷。一旦传感器被外力拉伸，接触面开始分离，将在两个表面上建立电势差，从而驱动自由电子。作者研究了拉伸应变对传感器电输出的影响。在1 Hz的固定拉伸频率下测量长度为10 cm的传感器。结果表明，开路电压 (VOC)、短路电流 (ISC) 和短路电荷转移 (QSC) 随着拉伸应变 (1-80%) 的增加而增加，这是由于在更大的拉伸应变下，两根编织纤维之间的接触和分离更充分。在拉伸应变为 1% 的情况下，该传感器仍然可以有0.5 V的稳定电输出，这表明该传感器对应变的高敏感性。
图2 传感器的工作原理和不同拉伸应变下的电输出
【自供电传感器的应用价值】
作者将自供电应变传感器集成到胸带中，并将其固定在胸腔下方以监测人体呼吸。随着胸腔的扩张或收缩，传感器可以随之有规律地伸展和收缩。通过对这些电信号的计算和处理，可以得到人体呼吸频率、用力肺活量（FVC）、一秒用力呼气量（FEV1）、呼气峰流量（PEF）等指标。此外，作者还开发了智能穿戴式实时呼吸监测系统，该系统包含智能肺量计和自供电智能报警器。智能肺活量计可以量化每次呼气的气流量并初步诊断呼吸系统疾病。智能报警器可在受试者停止呼吸6秒以上时自动拨打预设手机求救。该系统有助于评估呼吸状况，检测潜在的疾病风险，甚至挽救生命，在个人呼吸健康监测和智能可穿戴医疗电子设备方面显示出巨大潜力。
图3传感器测量呼吸信号
图4呼吸监测应用示范
总结：作者通过在可拉伸基底纤维上引入螺旋结构，提出了一种可穿戴自供电应变传感器。得益于这种结构，该传感器对应变表现出很高的敏感性，即使在1%的拉伸应变下也能输出0.5 V，可以感知由心跳和呼吸引起的胸腔、腹部的收缩与松弛。基于该传感器，作者开发了一种可穿戴的自供电实时呼吸监测系统，用于诊断潜在的呼吸系统疾病。该自供电智能报警器可以区分不同的呼吸模式，并在患者停止呼吸超过6秒时拨打预设手机求救，在个人呼吸健康监测和智能可穿戴医疗电子设备方面显示出巨大潜力。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c09792
文章来源 | 高分子科学前沿
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