一种超材料传感器，非接触实时监测生理信号（清华大学深圳国际研究生院田曦团队和新加坡国立大学何思远团队）

现有技术缺点：

1. 传统方法在动态环境（如汽车和航空应用）中难以可靠地捕获生理指标，受到振动和运动伪影的影响。

2. 电极和摄像头方法要求稳定的皮肤接触或依赖环境光照，存在隐私问题和有效性限制。

3. 现有无线传感器的刚性外形限制了其在身体附近的放置，易受振动噪声影响。

文章亮点：

1. 提出一种基于超材料的生物传感器，采用数字刺绣技术制造，能够无接触地在动态环境中监测心肺信号。

2. 该生物传感器可集成到安全带中，通过增强的电磁场与身体进行有效相互作用，捕捉细微的生理运动。

3. 具备优良的适应性，能够在不同衣物材料和厚度下有效工作，并能持续记录心跳和呼吸。

应用场景：

1. 用于汽车中监测驾驶员的警觉性、检测疲劳和压力水平，减少因人为因素导致的交通事故风险。

2. 适用于航空舱模拟器中的生理监测，能在模拟的动态环境中有效捕捉生理信号。

3. 可发展为实时评估驾驶行为的系统，监测疲劳、困倦和心理负荷。

总结与展望： 作者开发的超材料生物传感器通过集成到安全带中，实现了在动态环境中的非接触式生理监测，展现出良好的抗振动能力和信号可靠性。该技术不仅可用于疲劳和警觉性监测，还有助于长期健康监测应用。未来的研究可以进一步探索这种传感器在不同动态环境中的应用潜力，以提高驾驶安全和乘客健康监测的准确性。

文章名称：A digitally embroidered metamaterial biosensor for kinetic environments

期刊：Nature Electronics

文章DOI：

    https://doi.org/10.1038/s41928-024-01263-4

通讯作者：清华大学深圳国际研究生院田曦助理教授、新加坡国立大学何思远副教授

    作者报告了一种能够在动态环境中非接触式测量生理标志的超材料生物传感器。该生物传感器可以集成到安全带中，由一种超材料构成，能够引导无线信号并增强其与身体的相互作用，从而捕捉细微的生理（运动，甚至可以透过衣物（图1a）。作者采用计算机辅助数字刺绣技术，使用导电线制造该生物传感器（图1b），从而创建出一种柔软的纺织传感器，能够贴合身体，适应用户活动，并与现有的安全带集成。作者的生物传感器能够从安全带的不同位置（包括肩带和腰带）持续监测心率（HR）和呼吸，并且对不同的衣物材料和厚度具有较强的适应性（见图1c）。

图 1  非接触式超材料生物传感器。a，刺绣超材料带的示意图。无线信号在线束上共形传播，与生物组织相互作用，实现非接触式生理传感。b，数字刺绣制造过程的示意图。插图中的图像展示了通过刺绣导电线制作的超材料波导结构，包括超材料波导、过渡段和共面波导（CPW）段。比例尺，5 mm。c，超材料生物传感器在飞机客舱模拟器中的集成照片：（i）肩带，（ii）腰带和（iii）厚衣服上的肩带。d，在 c 中不同配置下收集的样本传感器信号及其通过提取的生理特征提供的应用。

共形超材料生物传感器设计

    作者利用与人体机械耦合的佩戴装置作为基底，集成一种超材料，通过无线信号与人体之间的近场相互作用，实现对生理运动的高灵敏度检测。作者选择了导电线的数字刺绣作为制造策略，因为它能够在几乎任何现有的织物基底上精确地制作复杂的周期性图案。编织图案经过计算设计，以与超材料结构上的电流分布相一致，随后被数字刺绣到纺织基底上（视频1）。

视频 1

图 2 纺织超材料生物传感器的设计。a、超材料波导和几何设计参数示意图（顶部）。x-y 平面中表面模式的电场分布（底部）。比例尺，1 cm。b、不同 q 的色散曲线，其余参数为 h = 15 mm、p = 10 mm和 a = 6 mm。基材聚酯织物的厚度为 t = 1 mm。灰色阴影区域显示 2.4-2.5 GHz ISM 频段。c、不同纺织基材的波数 β 与 q 的关系。εsub，基材介电常数。d、超材料波导与 CPW 接口的过渡段示意图（顶部）。x-z 纵向平面中模式的电场分布（底部）。比例尺，1 cm。e、有无过渡段的传输效率比较。灰色阴影区域显示 2.4–2.5 GHz ISM 频段。f，绘制了 2.4 GHz 下不同 q 值下传输率与电导率的关系。g，传感机制和系统设计说明。fRF = 2.4 GHz 的雷达信号沿着超材料生物传感器引导，与人体的相互作用导致返回信号中捕获的相位变化 fD。h,i，通过发射无线信号的相位变化获得的模拟呼吸和心跳波形。

超材料生物传感器性能评估

    为了评估超材料生物传感器在贴合曲面体轮廓下的性能，作者将其集成到飞机客舱模拟器中的安全带内。作者从四名健康受试者（两名男性和两名女性）身上获取生理数据，受试者穿着常规服装，传感器在肩带和腰带上的不同位置进行布置（图3）。

图3 关于传感器放置位置的传感性能特征化。a，展示了集成在飞机座椅上的四个位置的超材料生物传感器的示意图。b，记录的生物传感器数据（顶部）、心电图参考测量（中间）和在低、中、高及水平集成位置下收集的提取心跳信号（底部）。c，生物传感器获得的心率间期（IBIs）与参考心电图RR间期的散点图。r，Pearson相关系数。d，不同集成位置的Bland-Altman图。实线和虚线分别表示超材料生物传感器与参考测量获得的IBIs之间的均值差和1.96倍标准差。数据点的颜色代表四位健康受试者。

飞机舱模拟器中的连续健康监测

图4 连续生理监测。a，集成于肩带中的纺织超材料生物传感器的照片，用于非接触式生理监测。b，捕获的传感器信号（i）及与参考测量结果相比的超材料生物传感器提取的生命体征（(ii) 和 (iii)），在日常活动中进行对比。c，在仰卧、左侧卧、右侧卧和俯卧睡姿下记录的生理数据。d,e，睡眠开始（d）和醒来（e）时提取的心率（HR）（灰线）及移动平均心率（蓝线）的示范。虚线表示参考的睡眠-觉醒过渡。f，从超材料生物传感器获得的过夜生理特征：（i）归一化的传感器数据，（ii）提取的心率数据，（iii）身体活动及（iv）在整个睡眠期间识别出的觉醒。阴影区域表示智能手表检测到的觉醒。虚线代表参考睡眠-觉醒阶段的边界。

车辆环境中的生理监测

图5 车载生命体征监测。a，集成于车辆线束中的纺织超材料生物传感器的照片。b，在驾驶过程中捕获的代表性波形，通过变分模态分解（VMD）算法和峰值检测提取呼吸和心脏信号。比例尺，2秒。c，超材料生物传感器与参考测量的呼吸（左）和心跳（右）之间的布兰德-阿尔特曼图，受试者进行驾驶动作。实线和虚线分别表示生物传感器与参考测量之间的均值差异和差异的1.96倍标准差。彩色数据点表示不同的受试者。d，比较四名受试者在2.5分钟信号记录会话中，进行驾驶动作（深阴影区域）和不进行驾驶动作（浅阴影区域）时的呼吸和心跳差异与参考测量的小提琴图。小提琴内部的箱线图表示相应呼吸和心跳差异的四分位数。端点表示最小值和最大值；白点表示中位数；须条表示1.5倍四分位距。e，在不同交通条件下，从纺织传感器和参考测量中获得的RR和HR的比较数据。f，驾驶路线的颜色梯度图，直观展示呼吸（上）和心率（下）的变化。

视频 2

视频 3

Zeng, Q., Tian, X., Nguyen, D.T. et al. A digitally embroidered metamaterial biosensor for kinetic environments. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01263-4

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