生物信号的检测往往需要在动态环境中进行（例如汽车或者机舱内），以用于预防疲劳驾驶。这需要检测信号有较强的抗干扰能力。近年来，有的研究者将电极贴在方向盘上来捕捉注意力不集中的生理信号，有的研究者利用摄像头监测，还有的研究者使用相控阵雷达系统来提高检测信号质量，但依然会存在检测数据可靠性差，隐私泄露，信号抗干扰能力差，制造成本高等问题。所以研究一个低成本的可以在动态环境中准确监测生理信号的系统是很有必要的。
新加坡国立大学John S. Ho课题组与清华大学Xi Tian课题组合作，报道了一种基于电磁超表面的生理监测传感器，实现了在飞机和汽车等动态环境中高灵敏度、抗干扰、非接触式的生理状态监测。该生物传感器使用数字刺绣制成，可以与安全带集成，并可以通过无线信号与身体之间的近场交互来检测生理运动。生物传感器可以在移动的汽车中进行，并且与在固定环境相比，精度不会降低。
图1：非接触式超材料生物传感器的示意图。并展示了刺绣工艺的具体过程，以及检测系统从数据采集，特征提取，再到分析的总体工作过程。
图2：传感机制和系统设计图示。以及电极各部分的功能，展示了传感电极的参数设计对电极性能的影响。
图3：展示了传感器放置的位置对传感性能的影响。比较了传感器测量数据与参考数据间的相关性和标准差。
图4：展示了传感器在模拟机舱环境中对生理信号的连续监测能力。传感器输出的信号不会受各种人体活动影响，通过监测心率和呼吸信号，可以清晰地区分清醒和睡眠状态。
图5：在车内对生命特征的监测。通过监测心率和呼吸信号，可以分析驾驶员的状态。传感器输出的信号不会受汽车的行驶状态和交通状况影响。
本文报道了一种数字刺绣的超材料生物传感器，可以集成在安全带中，可用于非接触式生理监测。生物传感器的超材料结构增强了电磁场与生理运动的相互作用，在动力学环境中提供可靠的生命体征监测。我们在客舱模拟器中测试了传感器的性能，并证明在日常活动中可以获得高质量的生理信号。我们的生物传感器能够根据心率波动进行睡眠-觉醒检测，可用于长期睡眠监测应用。通过集成在汽车的安全带中，展现了超材料生物传感器在车辆环境和正常驾驶员运动中的抗振传感能力。生命特征的连续测量在实时评估驾驶员行为方面具有潜在价值，我们的方法可用于开发检测车辆疲劳、嗜睡和高脑力负荷的应用程序。
【参考文献】
https://www.nature.com/articles/s41928-024-01263-4
