受鱼类侧线启发的柔性自供电阻塞传感器（BLFS-RS）：用于呼吸监测与替代通讯的创新解决方案

为解决临床呼吸监测系统存在运动限制、复杂性和成本高等问题，研究人员受鱼类侧线系统启发，开发了一种基于接触起电和静电感应耦合机制的低成本柔性自供电阻塞传感器（BLFS-RS）。该传感器通过仿生空气通道和多孔绒毛复合微结构，实现了556%的输出电压提升，具备高灵敏度（0.88 V/kPa）、高耐久性（30万次循环）和快速响应（48 ms），可实时获取呼吸率、AHI和PEF等参数，并为言语障碍患者提供替代通讯方案，推动了可穿戴医疗电子技术的发展。

　　

呼吸作为一项关键生理指标，其异常模式被广泛认为是心肺疾病和神经系统障碍的重要预警信号。然而，现有临床呼吸监测系统因运动限制、复杂性和高昂成本等问题，难以实现日常连续监测。面对这一挑战，研究者从自然界的鱼类侧线系统中获得灵感，开发出一种革新性的柔性自供电阻塞传感器（Bio-inspired, Low-cost, Flexible, and Self-powered Respiration Sensor, BLFS-RS），该成果发表在《Research》上。

鱼类侧线系统能够精确感知水流和压力梯度，其结构包含感知流速的神经丘和感应压力变化的侧线管。研究团队通过仿生设计，采用半圆柱形硅橡胶结构，内部集成仿生空气通道和多孔-绒毛复合微结构，模拟了侧线系统中粘液驱动凝胶偏转并激发神经信号的过程。该传感器通过接触起电（Contact Electrification）和静电感应（Electrostatic Induction）的耦合机制工作，能够将呼吸引起的腹腔变形转化为电信号，无需外部供电即可实现呼吸监测。

研究采用砂纸模塑和静电植绒工艺制备传感器，通过比较不同微观结构的性能，发现具有多孔绒毛复合结构的BLFS-RS比无结构版本输出电压提升556%。其灵敏度达到0.88 V/kPa，响应时间为48 ms，且在30万次循环测试中表现稳定。传感器能够在不同湿度环境下工作，并通过密封层设计显著提升防潮性能。

在呼吸疾病诊断方面，BLFS-RS能够监测用力肺活量（FVC）、第一秒用力呼气容积（FEV₁）和峰值呼气流速（PEF）等关键参数。通过8名受试者的测试，传感器输出与商用肺活量计测量结果具有良好一致性，证实其在呼吸功能评估中的可靠性。

针对睡眠呼吸暂停-低通气综合征（OSAHS）的监测，研究展示了BLFS-RS在模拟低通气和呼吸暂停状态下的性能。系统能够通过实时电压信号区分正常呼吸、低通气和呼吸暂停状态，并自动计算呼吸暂停-低通气指数（AHI），为OSAHS的严重程度评估提供依据。

更引人注目的是，该传感器为言语障碍患者提供了替代通讯方案。通过将深浅呼吸模式与摩尔斯电码编码结合，利用短时傅里叶变换（STFT）和卷积神经网络-长短期记忆（CNN-LSTM）混合模型进行信号识别，系统对6个字母的识别准确率超过93%，展现了其在人机交互（HMI）领域的应用潜力。

研究表明，BLFS-RS不仅解决了传统呼吸监测设备在成本、舒适性和连续性方面的局限，更通过仿生设计和自供电特性，为个性化医疗和远程呼吸监测提供了可行方案。未来研究将通过多尺度结构工程优化传感器性能，结合机器学习算法提升环境适应性，推动自供电传感节点在医疗物联网中的实际应用。