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中美科学家可以共同开发最新健康神器 可追踪新冠状病情和多种疾病

时间:2020-11-05 16:52:26 来源:互联网作者:匿名

导读:本文是由匿名网友投稿,经过编辑发布关于"中美科学家可以共同开发最新健康神器 可追踪新冠状病情和多种疾病"的内容介绍。

多年来,人们一直在探索集成在人体皮肤上的服装式电子设备。对于这样的电子设备,在皮肤表面进行低温处理,容易去除是很困难的。目前,这个难题被宾夕法尼亚州立大学和哈尔滨工业大学(以下简称哈工大)共同克服,该研究小组开发了简单普遍的皮肤界面传感器制造技术。相关论文发表在《美国化学学会应用材料和界面》杂志上。小编整理了中美科学家可以共同开发最新健康神器 可追踪新冠状病情和多种疾病

中美科学家可以共同开发最新健康神器 可追踪新冠状病情和多种疾病

论文作者、宾夕法尼亚州立大学材料研究所工程科学和力学助理教授程环宇告诉Deeptech,本次研究的主要创新是演示了新的烧结助剂层。

论文第一作者张玲目前是宾夕法尼亚州立大学的访问学生。在此之前,她研究过具有传播电信号功能的特殊纸。联合研究组反复比较研究该特殊纸张夹层的胶体成分(纳米粒),最终选择碳酸钙和银纳米粒作为主要成分,在室温下烧结,可以制作粘贴在皮肤上的传感器。

新型传感器可以捕捉新型冠状肺炎患者的体征信号。

程环宇表示,该传感器可间接测量新冠患者病情的发展程度。以疫情严重的美国为例,许多新冠患者出现症状后,许多优先在家隔离,病情恶化,患者和家人可能还没有意识到。如果不能及时捕捉到重病信号,可能会发生生命危险。

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基于此,团队直接在皮肤上室温烧结柔性传感器,使该传感器能够显示出体征参数的变化,包括温度、血氧饱和度、心率、呼吸频率、收缩压力和意识水平等。

例如,患者从低烧到高烧,传感器显示0分、1分、2分的变化,分数越高,症状越严重。另外,呼吸的变化,心率过快或过慢可能是新冠状症状恶化的表现。

除了检测新冠状肺炎的病情外,这次还制备了一些传感器,首先是温度传感器,感染带来的温度上升,该团队使用感热电阻感知温度的原理是感热电阻和普通金。

金属通常具有线型、正向变化的电阻。电阻随着温度的提高而提高,只要测量电阻的大小,找出特定条件下电阻与温度的关系,就能直接得到温度。

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该传感器还可以测量空气湿度,属于电容量测量方式。我们中学学过平行板电容器,由两个平行的金属导体极板构成,中间被电介质材料隔开,但在这个传感器中,平行板被手指替换,手指和手指之间产生了类似平行板电容器的效果,湿度值主要通过电容器的结点常数来变化。贴在皮肤上,皮肤的含水量会发生变化。含水量发生变化,等效介电常数发生变化,容量发生变化。只要你知道相应的电容器或阻抗,你就可以反推相应的湿度值。

以心电图为例,其原理主要是采集肌电波等生理电信号,在身体上贴上水凝胶电极,就可以采集生物皮肤上的电信号变化。这是因为当肌肉、心肌和骨骼肌肉运动时,细胞膜的离子通道会发生变化。人体内的钠离子和钾离子通过通道后,从细胞膜内跑到膜外,收集设备的电力会发生变化。

但是,水凝胶的问题是,不久之后湿气会变干,或者在皮肤上弯曲。基于此,团队将银电极通过烧结助剂层直接在室温下烧结在皮肤上,解决了水凝胶长期使用的难题。

还有一点需要考虑的就是皮肤的贴合质量,如果电极不贴在皮肤上,就会产生很大的接触阻抗,这样会影响测量结果,如果接触不好,就会产生很多噪音,更容易受到运动的影响。

传感器电极测量生物电信号时,需要降低接触阻抗。该研究组开发的传感器和手背的粘接度好,粘接性好,阻抗小于商业凝胶。程环宇表示,这种贴合质量超过了其他相关论文的研究和市场商业凝胶效果。

总而言之,这种传感器在测量电压、电容器和电阻方面相对成熟,预计将来将大规模使用。

该团队还将传感器贴在鱼和哺乳动物上,结合传感器和无线传感模块,跟踪动物行为。例如,水库建成后,检查鱼群的移动特征是否发生变化,将鱼贴在传感器上后,可以继续放入海洋等自然环境中跟踪。

另一方面,从SARS到新冠,与野生动物携带病毒传播给人有关。因此,该团队将来也会考虑通过传感器了解动物。

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更广泛的应用场景。

本次研究的传感器的不同之处在于柔软,贴在手上后可以清洗。这也可以降低电子垃圾。如果能大规模生产的话,环境保护也比较好。使用生活中常用的材料,使用很多胶水和口罩。

45℃以上的水温可以洗掉。但是,与体温相当的水不能洗掉,可以保证传感器贴在手上。这个团队在不同的条件下尝试过,贴在皮肤上不洗的话,最长几周就可以固定在手背上。

这个团队还做过信号分析系统和灵活的处理器,可以和电脑和手机一起应用,后者可以采集和分析相应的信号,蓝牙、无线传输等模块都可以集成到应用中。这样采集的信号,可以通过穿在身上的衣服,通过无线的方式传输到手机上,实时监控新冠、心梗、老人摔倒等情况。

该产品的优点是可以直接整合到皮肤和软材料中,可以更好地提高对应信号,也可以采用只能在医疗环境中采用的信号。有了贴合度好的传感器,其高质量的信号在运动过程中接受测试,实时了解心脏状况。

这个团队的传感器还在考虑更好的美学效果。贴纸传感器目前的颜色主要是金属色。用银和不同的金属材料混合的话,颜色。虽然颜色没有调色板那么多,但是通过与其他材料混合,可以生成不同的颜色,甚至透明的颜色。就像小时候玩的地图一样,有的是海盗,有的是蝴蝶,将来可以把地图做成不同的图案,里面有各种各样的电子传感器,外面有一定的美学特征。这样暴露也很漂亮,用户有穿着的意愿。

第一次被亚马逊选中的学术成果。

该团队从一开始就制作了可穿戴的气体传感器,现在在皮肤上直接烧结传感器。2020年初,该团队的论文发表并通过媒体报道后,已有意向公司联系。目前,他们正在与亚马逊交流可能的商业化。据程环宇介绍,这也是亚马逊实验室首次选择学术成果,打算制作产品。

但是,过程环宇认为,从小公司学到的更多:中小企业从实验室优化技术,制作产品,或者用传感器本身的技术验证产品。

目前,该团队刚开始与企业交流,双方希望通过多种资源协调和优势互补,推出有趣的产品。亚马逊方面认为,未来最有可能发售的是可穿戴的气体传感器,但各种柔性可穿戴的传感器也有前途。


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