隨著現(xiàn)代化進程和大數(shù)據(jù)時代的發(fā)展，電子器件愈發(fā)成為不可或缺的信息獲取工具。柔性電子器件能夠在復雜和可變形表面上實現(xiàn)準確測量，且具有低成本、輕量化等特點，克服了傳統(tǒng)剛性電子器件的局限性。這些優(yōu)勢使得柔性電子器件在飛行器結(jié)構健康監(jiān)測、人體運動檢測、可穿戴健康監(jiān)測等多領域中表現(xiàn)出色。
諸多可穿電子器件已被開發(fā)出來用于收集人體生理信號，在疾病預測和診斷過程中提供了有用信息。其中，肺部作為人體重要的器官，其狀況可以通過呼吸參數(shù)所體現(xiàn)，用于呼吸監(jiān)測的傳感器具有重要應用意義，所獲取的信息可以為個人和公共健康提供有價值的指導意見。盡管先前報道的方案可以實時監(jiān)測呼吸頻率，但此類傳感器所需的多模態(tài)傳感和對動態(tài)呼吸過程連續(xù)、長時間的監(jiān)測能力，到目前為止還不成熟。
針對上述問題，南京航空航天大學李偉偉教授團隊、楊浩教授團隊與英國格拉斯哥大學Qingshen Jing助理教授，采用鈣鈦礦錳氧化物La0.7Sr0.3MnO3和氟金云母（Mica）制備了一種柔性可穿戴呼吸監(jiān)測傳感器，其對溫度變化具有多態(tài)響應且具有優(yōu)異的機械彎曲魯棒性。在設計的兩種應用場景（如圖1所示）中監(jiān)測人的呼吸狀態(tài)，實驗結(jié)果表明此柔性La0.7Sr0.3MnO3/Mica傳感器在對呼吸的連續(xù)和長時間監(jiān)測中表現(xiàn)出超強的穩(wěn)定性和多模態(tài)能力。相關研究成果以“Face Mask Integrated with Flexible andWearable Manganite Oxide Respiration Sensor”為題于近日發(fā)表在Nano Energy上。
圖1. 呼吸監(jiān)測系統(tǒng)的實施路線圖
在這項工作中，合作團隊設計了一種柔性錳氧化物呼吸傳感器，并將其置于兩種不同的應用場景（臨床監(jiān)測模式和日常監(jiān)測模式）中進行系統(tǒng)的測試，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠?qū)崟r、連續(xù)、長時間地對動態(tài)呼吸過程進行監(jiān)測，并對不同測試者在不同運動狀態(tài)下的呼吸數(shù)據(jù)進行了詳細分析與討論（如圖2所示）。
圖2. 不同測試者在不同運動狀態(tài)下的呼吸波形與統(tǒng)計分析
此外，有限元模擬結(jié)果證明了La0.7Sr0.3MnO3中的熱擴散是柔性La0.7Sr0.3MnO3/Mica傳感器電阻變化的原因，且模擬和實驗結(jié)果均表明柔性La0.7Sr0.3MnO3/Mica傳感器在不同呼吸狀態(tài)下工作時具有良好的分辨能力（如圖3所示）。本工作為設計新型柔性和可穿戴電子器件開辟了一條道路。
圖3. 柔性呼吸傳感器的熱擴散機制與多模態(tài)工作能力
高質(zhì)量的柔性La0.7Sr0.3MnO3薄膜作為可穿戴呼吸傳感器，在臨床和日常監(jiān)測中具有重要的應用意義。在兩種應用場景的測試中，證明了柔性La0.7Sr0.3MnO3/Mica傳感器在監(jiān)測呼吸中的可行性。檢測到的呼吸信號可以在手機或電腦上實時獲取和查看。該傳感系統(tǒng)在連續(xù)、長時間監(jiān)測動態(tài)呼吸中表現(xiàn)出出色的穩(wěn)定性和多模態(tài)能力。對來自不同測試者、不同運動情況的呼吸參數(shù)進一步分析和討論，揭示了其呼吸模式的差異。此外，在有限元模擬的支持下，確定La0.7Sr0.3MnO3在呼吸氣流影響下的溫度場分布是引起柔性La0.7Sr0.3MnO3/Mica傳感器在測量人類呼吸時電阻變化的原因。更重要的是模擬和實驗結(jié)果都表明柔性La0.7Sr0.3MnO3/Mica傳感器對不同的呼吸模式具有良好的分辨能力。該研究工作為設計靈活和可穿戴的人類呼吸傳感器提供了一個新的途徑。
南京航空航天大學博士生葉鏈旭為論文第一作者，南京航空航天大學李偉偉教授、楊浩教授與英國格拉斯哥大學Qingshen Jing助理教授為論文的共同通訊作者。該項研究工作得到了蘇州科技大學趙潤副教授、蘇州大學湯如俊教授、南京航空航天大學邱雷教授、美國普渡大學Haiyan Wang教授和英國劍橋大學Judith L. MacManus-Driscoll院士支持。該研究成果得到了國家高層次青年人才基金、國家自然科學基金、江蘇特聘教授、江蘇省自然基金、南京航空航天大學人才基金等項目的資助。
原文鏈接: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108460
