皮肤传感更容易:改进的方法有助于监测身体运动和健康

从大范围的身体运动到关节、肌肉和四肢的各种运动，直接放在皮肤上的可穿戴压力传感器可用于多种方式来监测健康状况。其他类型的皮肤传感器可以通过测量皮肤表面的汗液和温度来监测健康指标。

这些功能可以转化为有用的医疗应用，例如监测帕金森病等运动控制疾病，评估运动员的运动，或者通过测量皮肤水分来监测身体甚至情绪参数。其他改变游戏规则的皮肤感知设备包括皮肤传感器监测自闭症儿童(有情绪表达障碍)的压力水平，以及可以帮助患者在中风后恢复运动技能的触觉传感器。

用于压力传感应用的皮肤传感可穿戴设备必须具有电子传感器，用于定位和检测通过与皮肤接触获得的大范围压力变化人类皮肤．他们还必须能够利用导电材料将这些压力变化转化为可检测的信号。

传感器通常由一个有弹性的衬底层组成，它被放置在皮肤上，并随着身体运动的压力变化而移动。这些变化被转化为信号，可以被与基板紧密接触的导电材料层检测到。

在不同类型的压力传感器中，压阻式传感器(PS)是常用的。这些导电材料传感器利用拉伸时电阻的变化来测量压力变化。

为了最大限度地提高这些传感器的灵敏度范围，以前已经加入了各种微结构;然而，这些通常涉及复杂的制造程序和昂贵的导电材料。铜纳米线是一种低成本的选择，并表现出优越的电学、热学和光学性能。然而，它们在环境条件下容易受到腐蚀损坏。

Terasaki生物医学创新研究所(TIBI)的一个合作团队设计了一种简单、可扩展的PS制造方法，解决了铜纳米线的耐久性问题，同时还满足了压力传感器的广泛灵敏度要求。

该团队首先开发了一种基于解决方案的涂层方法铜纳米线与石墨烯氧化(去);验证测试证实，这种方法在纳米线上形成了均匀、牢固的氧化石墨烯层，在不牺牲导电性能的情况下有效地保护了纳米线免受腐蚀。此外，该方法允许通过调整反应时间或氧化石墨烯添加量来改变氧化石墨烯涂层厚度。

接下来，研究小组考虑了传感器衬底的微结构，以最大化其灵敏度范围。他们观察了人类皮肤真皮-表皮界面上一种叫做默克尔盘的压力感受器结构;这些压力感受器在触觉灵敏度中起着重要作用。他们注意到，这一层的纹理表面，有洞、相互连接的山脊和随机的粗糙度，类似于砂纸的表面。

这启发了他们设计了一种方法，将弹性聚合物基材层压在砂纸上，并将砂纸的粗糙纹理压在基材表面。然后对基底进行化学处理，以增强其与纳米线的结合。接下来，将涂有氧化石墨烯的铜纳米线悬浮液喷到基底上，并进行热处理，以化学方式降低氧化石墨烯的氧化状态，以加强层与层之间的粘附。

“我们基于解决方案的保护涂层铜纳米线的方法提供了一种简单、可扩展和可调的方法来防止纳米线腐蚀，”主要作者朱阳智博士说。我们用于传感器制造的喷涂和成型技术可以实现更可扩展、高吞吐量和模块化的方法。”

对还原氧化石墨烯涂层铜纳米线(CurGONW) PS进行了力学实验，测试了不同的压缩应力水平和速率。由于传感器的弹性和快速响应时间，它表现出整体稳定的电阻测量维持超过1000个应力循环。

随后的实验表明，灵敏度可以通过改变纳米线浓度和砂纸粗糙度来调节;这些测试还揭示了砂纸粗糙度的上限和纳米线浓度的最佳中等水平。

此外，CurGONW PS具有稳定的电阻测量，灵敏度范围可与目前可用的压力传感器相媲美。它还表现出卓越的透明度(可穿戴传感器所需的)，并且所需的还原氧化石墨烯数量比以前的批量生产方法更少。

最后的实验是在人类受试者身上进行的，以进行各种皮肤感知身体运动;这些动作包括手指、手腕、肱二头肌和膝盖的弯曲，以及颈部的扭曲和走路时的动作。测量颈动脉脉搏、吞咽和手指按压和敲击。所有的测量结果都可以清楚地检测到，漂移和水平与以前的独立实验和商业设备获得的报告结果相当。

总之，TIBI团队使用低成本、简单、可扩展、可调和模块化的方法制造了一种有效的压阻压力传感器。由于其衬底层具有新颖的皮肤微结构，该传感器能够以高精度和高灵敏度测量广泛的压力信号。

TIBI董事兼首席执行官Ali Khademhosseini博士表示:“我们的科学家所取得的进步解决了可穿戴皮肤传感在成本、生产和有效性方面的一些挑战。”“这些改进的影响可以通过各种方式转化为许多生物医学和商业应用。”