據麥姆斯咨詢報道，由紗線編織的具有電子傳感功能的智能織物已經被用于遠程醫療診斷，不過，傳統智能織物的信號一致性問題仍有待解決。近日，由香港城市大學（CityU）領導的一項研究受到DNA結構的啟發，發現雙螺旋結構織物可以幫助解決上述挑戰。該團隊進一步開發了一種紡織柔性壓阻傳感器，可用于人體脈搏監測。這種傳感器響應迅速，形變后可快速恢復，并且信號穩定。該團隊希望將該傳感器引入不斷增長的醫療保健市場。

該研究團隊由香港城市大學生物醫學工程系教授、可穿戴醫療材料實驗室主任胡金蓮教授領導。這項研究成果已在學術期刊Advanced Materials上發表，標題為“Ultrafast-Response/Recovery Flexible Piezoresistive Sensors with DNA-Like Double Helix Yarns for Epidermal Pulse Monitoring”。

雙螺旋紗線結構，改善傳感器信號滯后問題

“基于紡織品的傳感器具有多種優勢，例如柔性、可拉伸性和透氣性，因此它們已被用于制造柔性壓阻傳感器。”胡教授說。然而，紡織傳感器通常具有滯后（hysteresis）問題，因為它們在改變形狀后較難快速恢復原狀。此外，一般紡織傳感器的信號一致性較差，因此測量結果往往不可重復，這阻礙了它們的應用。

為了解決滯后問題，傳統的策略是將彈性聚合物整合到紡織品中。胡教授團隊則另辟蹊徑，從紗線本身的結構著手。他們制造出具有類似DNA雙螺旋結構的紗線，將兩條紗線捻在一起制成織物。胡教授解釋說：“這種方法巧妙地將兩條紗線捻成一條，使兩條紗線之間產生穩定的粘合力，這樣織物就不容易松脫，變形后可以更快速地恢復原狀。”

利用紡織柔性壓阻傳感器檢測表皮脈搏

胡教授指出，普通紡織傳感器滯后的關鍵原因是紗線壓縮變形后，相互摩擦的紗線無法很快恢復原狀。然而，她的團隊制造的紗線采用了雙螺旋結構，將紗線緊密地繃緊在一起，減少摩擦引起的滑移，從而可以改善滯后的問題。

在此基礎上，該團隊進一步開發了一種具有超快響應和超強恢復能力的紡織柔性壓阻傳感器，并進行了表皮脈搏監測實驗。

A）展示了一種常見的編織技術；B）展示了本研究采用的雙螺旋結構紗線（右下角的插圖展示了DNA結構）；C）展示了具有芯鞘結構的纖維；D-F）相應織物表面的電子顯微鏡掃描圖像；G）本研究團隊設計的紡織壓阻傳感器；H）展示了紡織壓阻傳感器卓越的柔性；I）展示了組裝在膠帶上的紡織壓阻傳感器。

該團隊開發的紡織柔性壓阻傳感器由五層結構組成。中間層織物由雙螺旋結構的紗線編織而成，置于聚酰亞胺（PI）基板的電極層上。然后，研究人員用凝膠密封這三層結構，最后在其頂面覆蓋一層聚萘二甲酸乙二醇（PEN）薄膜。

對紡織柔性壓阻傳感器通電后，電極層上的織物在表皮脈搏跳動下發生變形產生電阻，并會根據脈搏的變化產生不同的信號。該團隊實驗證實，這種紡織柔性壓阻傳感器可以檢測頸部和手腕上的表皮脈搏，并且，發現運動前后監測到的手腕脈搏信號會有差異。此外，從正常女性和診斷為竇性心動過緩的男性采集的腕部脈搏信號，也存在顯著差異。

與其他單股紡織傳感器（上圖）相比，胡教授團隊開發的雙螺旋結構傳感器（下圖）生成的信號一致性更好。

超快響應，超快恢復

胡教授評論稱：“與其他紡織傳感器相比，我們開發的這款器件具有更高的靈敏度。它可以感知重量只有9毫克的一粒谷物形成的壓力。此外，這款傳感器的響應速度非常快，只需兩毫秒就可以生成信號，一毫秒就可以從脈搏跳動后的形變中恢復。這款紡織柔性壓阻傳感器經過測試證明了耐久性，它可以重復使用6000次后仍保持95%的初始性能。最重要的是，我們還解決了普通紡織傳感器的滯后問題。實驗結果表明，該傳感器具有出色的信號一致性，并在各個方面都展現了平衡的性能。”

研究小組在中醫把脈常用的“寸”、“關”和“尺”位置分別放置了一組傳感器，展示了這款紡織傳感器在傳統中醫領域的潛在應用。

胡教授認為這款創新的高效紡織柔性壓阻傳感器是表皮脈搏檢測技術的新突破。它可以靈活地組裝在各種可穿戴設備上，還有助于推動中醫把脈技術的現代化。

審核編輯 ：李倩