清華新聞網(wǎng)10月18日電 疲勞駕駛引起的交通事故每年正造成著我國(guó)數(shù)萬(wàn)人死亡或重傷，在駕駛環(huán)境中對(duì)用戶(hù)生理狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)將對(duì)提升交通安全具有重要作用。傳統(tǒng)的車(chē)載傳感技術(shù)在高動(dòng)態(tài)的座艙環(huán)境中存在著數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度、抗干擾能力、佩戴舒適度、隱私性等方面的缺陷。因此，研發(fā)一種能在高動(dòng)態(tài)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)可靠且持續(xù)生理狀態(tài)監(jiān)測(cè)的傳感器尤為重要，而無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)與柔性可穿戴技術(shù)的結(jié)合為此提供了新的解決方案。
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院數(shù)據(jù)與信息研究院田曦團(tuán)隊(duì)與新加坡國(guó)立大學(xué)何思遠(yuǎn)（John S. Ho）團(tuán)隊(duì)合作，報(bào)道了一種基于電磁超表面的生理監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)了在飛機(jī)和汽車(chē)等動(dòng)態(tài)環(huán)境中高靈敏度、抗干擾、非接觸式的生理狀態(tài)監(jiān)測(cè)。
電磁超表面?zhèn)鞲衅鞑捎萌斯け砻娴入x激元結(jié)構(gòu)，支持高壓縮表面電磁波的傳輸，相較于傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)更高靈敏度和抗干擾能力的局部傳感（圖1）。通過(guò)開(kāi)發(fā)的數(shù)字刺繡技術(shù)，該傳感器可被無(wú)縫集成到安全帶中，通過(guò)引導(dǎo)并增強(qiáng)無(wú)線(xiàn)信號(hào)與身體的交互作用，能透過(guò)衣物捕捉人體細(xì)微的生理運(yùn)動(dòng)。
圖1.非接觸式超表面?zhèn)鞲衅?/p>
同時(shí)，超表面生物傳感器能被布置在安全帶的多個(gè)位置，包括肩和腰部，且不受衣物材料和厚度的影響（圖2）。各處傳感器的表征數(shù)據(jù)均顯示與參考信號(hào)優(yōu)秀的一致性，相關(guān)性均高于0.9，心率標(biāo)準(zhǔn)差錯(cuò)誤低于3 bpm。
圖2.傳感器位于不同位置的生理狀態(tài)監(jiān)測(cè)
使用該超表面?zhèn)鞲衅?，可在飛機(jī)機(jī)艙中進(jìn)行日?；顒?dòng)的生理監(jiān)測(cè)（圖3）。在有身體運(yùn)動(dòng)和背景噪聲干擾的動(dòng)態(tài)環(huán)境中，傳感器仍能可靠地捕捉到呼吸和心跳信號(hào)。同時(shí)針對(duì)飛行中睡眠監(jiān)測(cè)的需求，團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了該傳感器在不同的身體姿態(tài)中捕捉生理信號(hào)的能力，包括仰臥、俯臥和左右側(cè)臥，結(jié)果顯示中位心跳間隔（IBI）誤差僅為15毫秒。
圖3.連續(xù)生理參數(shù)監(jiān)測(cè)
超表面?zhèn)鞲衅鞯倪B續(xù)生理監(jiān)測(cè)能力在實(shí)際車(chē)載環(huán)境中得到了進(jìn)一步驗(yàn)證（圖4）。盡管車(chē)輛環(huán)境中存在較大的振動(dòng)噪聲干擾，但是該超表面?zhèn)鞲衅魅阅苡行Р杉礁黝?lèi)生理信號(hào)。
圖4.駕駛環(huán)境中生理狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)
相關(guān)研究成果以“用于動(dòng)態(tài)環(huán)境的數(shù)字化刺繡超表面生物傳感器”（A digitally embroidered metamaterial biosensor for kinetic environments）為題，于10月17日發(fā)表于《自然·電子》（Nature Electronics）。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院助理教授田曦、新加坡國(guó)立大學(xué)副教授何思遠(yuǎn)（John S. Ho）為論文通訊作者，新加坡國(guó)立大學(xué)曾琪杭博士為論文第一作者。研究得到清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院、新加坡國(guó)立大學(xué)健康創(chuàng)新與技術(shù)研究所、新加坡航空-新國(guó)大聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的支持。
論文鏈接:
https://www.nature.com/articles/s41928-024-01263-4
供稿：深圳國(guó)際研究生院
題圖設(shè)計(jì)：金婭辰
編輯：李華山
審核：郭玲
