用于动态环境的数字刺绣超材料生物传感器
数字化刺绣超材料生物传感器：运动环境中的无接触生物信号监测
近年来，随着智能汽车、航空安全及健康监测需求的增加，各类传感器技术得到了飞速发展。然而，在动态环境中，尤其是涉及生理信号监测时，传统传感器技术面临许多挑战，例如信号干扰、振动影响以及隐私问题。为此，本文提出一种使用数字刺绣制造的超材料生物传感器，能够在运动环境下无接触地采集高质量心肺信号，为解决上述难题提供了新思路。
研究背景及动机
根据统计数据，仅在美国，每年由驾驶员因疲劳、注意力不集中等因素引发的交通事故超过10万起。为减少此类事故，汽车生物传感器被视为一种潜在的解决方案，它们可用于检测驾驶员疲劳状态、压力水平以及健康风险。然而，目前的传感技术在动态环境中面临多重挑战，例如车内振动、身体运动干扰及封闭空间内的多路径信号反射等。此外，当前广泛应用的接触性监测方法（如车载方向盘电极）要求稳定的皮肤接触，这难以在实际驾驶场景中保持。同时，基于视觉的监测方法存在依赖光照、隐私泄露及检测精度受限等问题。
无线传感器因具有非接触性监测能力，被认为是更优的替代方案。尽管雷达、Wi-Fi 等技术被用于车载环境中的生理信号监测，例如检测驾驶员心跳、呼吸等，但受限于振动噪声和多路径反射的影响，这些系统在动态环境中仍存在信号质量下降、复杂度高及大规模生产成本昂贵等问题。
由新加坡国立大学（National University of Singapore）、清华大学深圳国际研究生院（Tsinghua-Berkeley Shenzhen Institute）等机构研究团队联合开发的数字刺绣超材料生物传感器，结合了超材料的设计和高效的纹理制造技术，可以无接触地捕获人体心肺信号，经测试表明其在复杂动态环境中表现优秀。
论文来源
该研究由新加坡国立大学电气与计算工程系的 Qihang Zeng、Tian Xi、Nguyen Dat T. 等学者联合完成，研究团队还包括清华大学深圳国际研究生院、SIA-NUS 数字航空实验室等机构的专家。论文于2024年11月在线发表在《Nature Electronics》第7卷上。
研究内容概述
实验流程与传感器设计
传感器制造
研究团队开发了一种数字刺绣工艺，以导电线为基础，在织物上刺绣出具有特殊波导结构的超材料。刺绣产生的波导能精确传导无线信号，并通过与人体组织的近场相互作用捕获生理运动。这种方法能兼容多种不同的底层织物，如聚酯纤维（polyester）和棉质材料（cotton），并允许传感器与安全带等现有设备集成。刺绣材料的选择和平面设计通过电磁仿真优化，确保了信号传输效率和对折叠的鲁棒性。结构优化
超材料波导以梳齿形中空设计为核心，极大地压缩了无线信号的传播波长，使其约为自由空间波长的四分之一。此外，通过在波导和同平面波导（Coplanar Waveguide，CPW）之间设计渐变匹配截面，增强了传输效率，减少了转换损耗。工作机制
在实验中，嵌入传感器的安全带通过无线信号传递心跳与呼吸引起的生物组织变化。这些变化被转换为无线信号的相位调制，从而实现生理信号监测。
数据采集与处理
- 研究团队使用软件定义无线电（SDR）设备采集传感器信号。数据通过信号解调、非线性分解算法（如变分模态分解 VMD）提取呼吸与心跳分量。相较于传统数学模型，该方法显著提高了信号解噪能力。
- 验证实验包含模拟航空舱及实际汽车两类动态环境，通过与参考 ECG 测量设备对比，展现出传感器较高的准确性和鲁棒性。
核心研究结果
航空模拟实验
在航空舱模拟器中，传感器集成于肩带或腰带并完成多种测试，结果表明即使穿着厚外套，传感器仍可稳定提取心跳与呼吸信号，心率测量误差标准差为 3 bpm。此外，针对包括讲话、喝水和键入等活动在内的常见行为，系统均能有效捕捉生理变化。实时睡眠监测
研究进一步在 6 小时的睡眠实验中评估了传感器对睡眠阶段的分类能力。传感器检测到心跳在入睡过程中的下降幅度（15 bpm），以及清醒时明显上升的生理变化，与参考智能手表同步数据一致，分类准确率达到 95%。车载环境测试
在车辆环境测试中，传感器被整合到安全带上安装于驾驶员座椅区域。无论是静止、低速驾驶还是城市复杂路况条件，传感器均能保持高精度信号采集，无显著性能下降。此外，通过分析驾驶员的心率变化，还成功捕获了困倦阶段的生理状态。
研究意义与未来应用
本文报道了一种全新的刺绣超材料生物传感器技术，不仅克服了传统生理监测技术在动态环境中的稳定性问题，还通过兼容性强、易于集成的特点展现出广泛应用潜力。
科学价值
- 推动了超材料技术在健康监测领域的进一步应用。
- 提供了一种新型的短距离无线交互方式，在动态精确生理信号检测方面具有突破意义。
应用前景
- 在智能汽车中，传感器有望实现实时的驾驶员健康管理，如疲劳检测、健康预警。
- 在航空领域，结合现有飞机安全带，可实现低成本机上不接触健康监测。
- 在医疗领域，可用于长期睡眠监控及生活中的健康追踪。
研究亮点与创新
- 系统性解决了动态环境中的生理信号采集难题，创新性地利用可刺绣超材料实现非接触式监测。
- 传感器具备低成本、易于制造和与现有设备高兼容性等特性。
- 在航空和车辆等复杂应用场景中表现出优异的鲁棒性，与实时信号处理技术相结合，可实现高效分析。
该研究不仅展现了新技术的卓越性能，也为相关领域的科研人员提供了一种新工具，为未来在多场景健康监测领域的商业化奠定了基础。