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新型柔性可穿戴传感器有望用于医疗诊断


近日,美国哈佛大学的研究人员们开发出一种柔软、无毒的可穿戴传感器,它可以不显眼地佩戴在手部,测量抓握的力量以及手部与手指的运动。

这项研究发表在《先进功能材料(Advanced Functional Materials)》期刊上,是哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)、Wyss生物启发工程研究所、贝斯以色列女执事医疗中心与波士顿儿童医院合作开发的成果。哈佛大学技术开发办公室提出了与新型柔性传感器架构相关的知识产权组合,并正在为这些技术寻求商业化机会。

这种传感器的一个新要素就是无毒、高导电性的溶液。SEAS 研究生、论文第一作者 Siyi Xu 表示:“我们开发了一种新型导电液体,它的安全性可以媲美一小滴盐水。它比之前的生物兼容性液体导电性更好,将通往更干净、更少噪声数据的目标。”

这种具有感知功能的溶液是由碘化钾以及甘油组成,碘化钾口服液是一种膳食补充品,甘油是一种普通的食品添加剂。在短时间混合之后,甘油打破了碘化钾的晶体结构,并形成钾离子(K+)与碘离子(I-),使得液体导电。因为甘油的蒸发速率比水更低,而碘化钾是高度可溶的,所以溶液不仅能在一定的温湿度范围内保持稳定,而且具有高导电性。

 

Xu 表示:“之前,具有生物相容性的柔性传感器是由氯化物-甘油溶液组成,但是这些溶液的导电性差,使得传感器数据的噪音变得很大,而且需要10个小时才能准备好。我们已经将这个时间缩短至20分钟,并且获取到了非常干净的数据。”

传感器的设计也考虑到了儿童的需求。与笨重的手套不同,这种硅橡胶传感器放置在手指上方与指尖上。论文合著者之一、波士顿儿童医院与哈佛医学院行为科学项目副教授、哈佛大学 Wyss 研究所副教员 Eugene Goldfield 是 Wyss 研究所研究儿童柔性电子项目的首席研究员,该研究所为早产以及有脑瘫危险的儿童设计了模块化的机器人系统。

Goldfield 及其同事目前正在使用 SEAS 与 Wyss 的运动捕捉实验室研究运动机能。虽然运动捕捉可以告诉我们许多有关运动的情况,但是它无法测量力度,而力度对于诊断神经运动和认知发育障碍来说很关键。

论文合著者之一、波士顿儿童医院与哈佛医学院行为科学项目副教授、哈佛大学 Wyss 研究所副教员 Eugene Goldfield 表示:“我们经常看到,早产或者被诊断为早期发育障碍的儿童具有高度敏感的皮肤。通过将这种设备粘到手指上面,可以获取准确的信息,并能考虑到儿童手部的敏感性。”

Goldfield 表示:“早期诊断对于治疗这些发育障碍来说很重要,这种可穿戴的传感器给我们带来了目前没有的优点。”

SEAS 工程与应用科学系教授、Wyss 研究所创始核心教员、论文高级作者 Rob Wood 表示:“量化复杂人体运动的能力,为我们带来了一个前所未有的诊断工具。对于儿童运动技能发展的聚焦,为如何将许多传感器整合到一个小型、轻量、不显眼的可穿戴设备中,带来了独特的挑战。这些新型传感器解决了这些挑战,而且如果我们能够创造出胜任如此艰巨任务的可穿戴传感器,我们相信它也将开启诊断、治疗、人机交互界面与虚拟现实等方面的应用。”

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