基于高阶异常点的可拉伸、多重无线传感系统用于可穿戴健康监测

《SCIENCE ADVANCES》：A highly sensitive and multiplexed wireless sensing system with skin-like compliance and stretchability for wearable applications

本刊推荐：为解决现有可穿戴无线传感系统在灵敏度、多参数检测能力、紧凑性、功耗和佩戴舒适性方面的局限，研究人员开展了基于高阶异常点（EP）的无线、无电池、多重传感系统研究。该系统利用非厄米体系中的奇点特性，实现了超过10倍的灵敏度提升和50%的尺寸缩减，并采用应变弹性的液态金属复合材料和软质基底，确保了佩戴舒适性、机械可靠性和抗菌性能。研究通过原位监测运动中的皮肤温度、汗液电解质以及长时间监测不同受试者的汗液葡萄糖和铵离子，验证了系统的有效性，为各种可穿戴应用提供了变革性方案。

　　

在健康监测和疾病管理领域，能够监测关键生物标志物的可穿戴无线传感系统正受到越来越多的重视。然而，当前的系统往往在灵敏度、多参数检测能力、紧凑性、功耗和佩戴舒适性方面存在妥协，限制了它们在皮肤接口应用中的发展。数字系统虽然功能强大，但通常包含众多刚性和笨重的组件（如集成电路芯片和电池），导致可拉伸性、生物相容性差且维护问题突出。而模拟系统，例如电感-电容（"LC"）谐振器，虽然可以提供无电池（即无源）设计，但不可避免地受到灵敏度有限和检测能力不足的困扰，因为一个LC谐振器仅产生单一且微弱的光谱谐振。

这些局限性限制了无线传感系统在皮肤接口应用（如排汗和伤口监测）中的使用。这类应用要求传感器具有高度的皮肤贴合性和舒适性，同时需要高灵敏度和多重检测能力，以捕捉多种生物标志物的细微变化。实际上，平衡这些相互竞争的需求一直是可穿戴传感系统设计中的长期挑战。

为了应对这一挑战，研究人员将目光投向了模拟领域，利用其无电池操作的优势，并关注一个新兴概念——非厄米系统，以期实现增强的传感性能。非厄米系统所具有的光谱奇点，特别是异常点（EPs），已显示出增强灵敏度的巨大潜力，因为它们能够促进本征频率在微小扰动下发生显著分岔。然而，尽管具有这些优势，现有的EP传感系统仍受限于有限的检测能力，一个传感谐振器只能检测单个参数。此外，当前的EP传感系统通常使用刚性材料，其与柔软、可拉伸材料的集成，对于增强可穿戴设备的舒适性和可穿戴性至关重要，但这仍是一个需要进一步探索的领域。

在这项发表于《SCIENCE ADVANCES》的工作中，研究人员提出了一种基于高阶（即三阶）异常点（EP）的多重可穿戴无线传感系统。该系统能够灵敏地监测多种生物标志物，同时保持无源功能、可拉伸性和组织样顺应性，适用于皮肤接口应用。由于高阶EP处增强的频率分岔效应，系统的灵敏度得到显著提升。同时，与局限于单参数监测的传统LC或EP系统不同，其三阶EP传感系统具有多个不同的谐振频率，允许使用单个谐振器同时监测两个参数，从而将传感器尺寸减小一半。可穿戴传感器采用导电多孔液态金属（LM）复合材料（PLMC）在多孔聚氨酯（PU）基底上制造。这些材料提供了在机械变形下可靠的导电性、高抗LM泄漏能力以及优异的抗菌性能，赋予传感器卓越的佩戴舒适性和生物相容性。因此，所提出的无线传感系统结合了高灵敏度和多重检测能力（由高阶EP带来）以及优异的佩戴舒适性和生物相容性（从PLMC和多孔PU获得）的优点。

为开展研究，研究人员主要应用了以下几项关键技术：基于高阶异常点（EP）的非厄米电路系统设计，用于实现高灵敏度和多重无线传感；采用相分离技术合成具有多孔结构的导电液态金属复合材料（PLMC），以确保传感器在机械变形下的稳定性和抗泄漏性；将ε-聚赖氨酸（ε-PL）整合入PLMC以赋予材料抗菌性能；利用激光切割和转印工艺在柔软的多孔聚氨酯（PU）基底上制造传感器电路；以及针对不同汗液生物标志物（如Na⁺, K⁺, pH, NH₄⁺, 葡萄糖）设计和制备相应的电化学或电阻式传感换能器。人体实验在机构审查委员会批准下进行。

RESULTS

Construction of the wearable sensor and characteristics of materials

研究人员首先重点构建了直接接触皮肤的可穿戴传感器。该传感器重量轻且完全柔性，包含将生物标志物变化转换为电阻或电容变化的换能器，然后由阅读器无线询问。研究人员使用PLMC作为顶部和底部电路层的导电材料，并使用多孔PU作为传感器构建的基底，赋予传感器皮肤般的顺应性和卓越的可穿戴性。研究表明，所采用的PLMC具有高电导率（约2.0 × 10⁵ S/m），并且在机械变形下表现出稳定的电性能。在300%的应变下，PLMC产生一致的电阻，而其他柔性导电材料（如溅射银、银纳米颗粒、银片和碳纳米管）则显示出显著的电阻增加。此外，PLMC表现出卓越的耐久性，在200%应变下经过2000次拉伸循环后，电阻变化仅为约4.6%。在苛刻的损坏条件下（包括手术刀穿刺、锤击冲击载荷、弯曲和扭曲），PLMC的电电阻变化也极小（小于1%）。与传统的非多孔LM复合材料相比，PLMC还提供了出色的防泄漏能力。传统的非多孔LM复合材料在拉伸和压缩时会发生LM泄漏，导致短路和皮肤污染，而PLMC的多孔结构提供了阻尼效应，最大限度地减少了机械变形引起的泄漏。研究人员还将天然广谱抗菌肽ε-聚赖氨酸（ε-PL）加入到PLMC中，以提升其抗菌性能。结果表明，ε-PL增强的PLMC对典型的皮肤致病菌（如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌MRSA和铜绿假单胞菌PA）具有显著的抗菌效果，杀菌活性超过99.9%。同时，ε-PL的加入对PLMC的生物相容性没有不利影响，细胞毒性评估证实了其出色的生物相容性。

Wireless multiplexed sensing systems based on the high-order EP

在确保了传感器的可穿戴性和生物相容性后，研究转向系统设计，该设计利用三阶EP拓扑来实现高灵敏度和多重传感。该系统采用阅读器-传感器方案，阅读器包含一个有源谐振器（-R₁, L₁, C₁）和一个中性谐振器（L₂, C₂），而可穿戴传感器包含一个或多个无源谐振器（xR₃, xL₃, C₃/x）。阅读器通过电感耦合一次耦合一个传感谐振器，形成一个广义的三阶PT对称（即有源-中性-无源）系统，其特征是EP。系统的本征频率可以从其有效哈密顿量推导出来，其中ω₁和ω₃在EP处分岔，而ω₂锁定在ω₀。在EP附近区域（γ > γ_EP），三个本征频率是纯实数，表现为反射谱中对应于最小反射系数（S₁₁）的谐振频率。研究表明，在相同的耦合系数下（例如κ=0.5），三阶EP系统对γ扰动的响应比标准（二阶）EP和LC系统更敏感。在EP附近操作时，测得的三阶EP系统的灵敏度（s）为2.01，而标准EP和LC系统分别为0.89和0.18，相当于2.26倍和11.17倍的灵敏度提升。此外，高阶EP系统允许使用单个"RLC"传感谐振器同时灵敏地监测电阻和电容变化，而传统的LC系统只能以低灵敏度监测电容扰动，标准EP系统无法区分或同时监测电阻和电容扰动。研究还通过Maxwell仿真和实验验证了可穿戴传感器在应变下的性能。由PLMC制成的线圈电感器在应变下表现出稳定的电阻（R_L）和电感（L）值，而其非多孔对应物在20%应变时即出现显著变化并最终失去功能。可穿戴传感器在重复拉伸和弯曲测试中表现出可靠和持久的性能，三个谐振频率在承受200次拉伸循环（100%最大应变）时几乎保持不变。

Wireless perspiration monitoring during physical exercise

研究人员通过排汗监测来验证所提出传感系统的效能。他们使用该系统在体育锻炼期间无线监测皮肤温度（T）和汗液生物标志物（Na⁺, K⁺, pH）。这四个生物标志物可以通过用同一个阅读器依次询问两个传感谐振器来监测：一个包含温度和Na⁺换能器，另一个包含pH和K⁺换能器。温度变化直接反映在负温度系数热敏电阻的电阻上，pH变化反映在定制的pH敏感电阻上。Na⁺和K⁺浓度的波动会引起电极间电势差的变化，作为变容二极管的偏置电压，因此Na⁺和K⁺浓度与变容二极管的电容相关。研究表明，所提出的传感系统在传感器置于空气中或与人体皮肤接触时表现出一致的谐振频率，表明人体对监测结果的影响极小。得益于多频谐振行为，该系统能够以可忽略的串扰同时监测两个参数。具体来说，第三谐振频率f₃对温度变化高度敏感，而第二谐振频率f₂不受温度影响，仅对Na⁺浓度响应。类似地，f₂与K⁺浓度的关系与pH变化无关，而f₃/f₂的比值与pH相关，从而可以通过跟踪f₃/f₂来确定pH水平。在40分钟的低强度运动（LIE）期间，系统观察到由皮肤温度、汗液[Na⁺]、[K⁺]和pH变化引起的清晰频率偏移。皮肤温度从约33.5°C升至34.8°C，汗液[Na⁺]从32.3 mM增加至56.4 mM，[K⁺]从11.5 mM下降至6.2 mM，pH从4.8略微上升至5.2。与高强度运动（HIE）的比较显示，HIE引起更显著的变化，而规律饮水可以缓解脱水，使生物标志物在运动期间趋于稳定。测量结果与商用仪器获得的结果具有可比性，证实了传感系统的可靠性。

Long-term sweat glucose and ammonium monitoring

为了进一步证明系统在长时间连续监测方面的能力，研究人员将其用于监测10小时内汗液葡萄糖和NH₄⁺的变化，并比较了正常和肥胖受试者在不同饮食摄入下的这些变化。葡萄糖水平的转换通过一对葡萄糖电极作为变容二极管的偏置来实现，NH₄⁺浓度使用定制的NH₄⁺敏感电阻进行评估。利用高阶EP机制，无线传感系统允许使用单个传感谐振器同时监测葡萄糖和NH₄⁺水平，其等效电容和电阻分别与葡萄糖和NH₄⁺浓度成正比。在测量的反射谱中，第二和第三谐振频率分别对葡萄糖和NH₄⁺变化敏感地偏移。对一个正常受试者进行为期2天的监测显示，摄入高纤维和高碳水化合物膳食后，葡萄糖水平立即升高，随后在摄入后1至2小时内下降至接近基线水平。高碳水化合物膳食引起更显著的葡萄糖升高。体育锻炼导致葡萄糖水平快速下降，同时汗液[NH₄⁺]升高。对一名肥胖受试者的检查显示，其餐后葡萄糖水平上升更快，且餐后2小时汗液葡萄糖仍保持相对较高水平，可能表明高血糖或糖尿病的早期症状。肥胖受试者的汗液[NH₄⁺]也高于正常受试者。该系统展示了在日常活动中长时间监测汗液葡萄糖和[NH₄⁺]的强大能力，为身体健康提供了有价值的见解。

DISCUSSION

本研究开发了一种可穿戴、无线、无电池的传感系统，利用非厄米领域的高阶异常点（EP）奇点，实现了高灵敏度和多重传感性能，同时采用柔软、可拉伸的PLMC和多孔PU确保了机械稳定性、佩戴舒适性和生物相容性。研究揭示了高阶EP的存在使灵敏度相对于传统LC传感系统提高了一个数量级。同时，高阶EP系统的三个不同谐振频率使得能够在单个谐振器内同时检测电阻和电容参数，与现有的基于谐振器的传感系统相比，传感器尺寸减小了一半。此外，PLMC的柔软、可拉伸特性赋予可穿戴传感器卓越的佩戴舒适性和抗机械变形（如拉伸、弯曲和按压）的鲁棒性。PLMC的多孔结构赋予传感器高防泄漏能力，而ε-PL的加入赋予了抗菌和生物相容特性。这些综合优势使得该系统非常适合皮肤接口无线传感应用。研究人员通过无线监测40分钟体育锻炼期间的皮肤温度和汗液电解质以及10小时日常活动中的汗液葡萄糖和NH₄⁺，验证了系统的能力。该系统通过简单紧凑的传感器设计，实现了对这些生物标志物的高灵敏度和准确区分，为健康评估提供了有价值的信息。这种多方面的传感能力可能超越排汗监测。通过调整传感电极，该无线传感平台可以适应监测其他生物标志物，在各种可穿戴和可植入生物医学传感场景中找到应用。一个可能的未来方向是实现一个集成了紧凑射频源、定向耦合器、反射检测器和微控制器驱动频率跟踪算法的便携式独立阅读器，这将消除对实验室级VNA的依赖，并实现临床环境中的低成本、便携式传感。