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  先進的生物電子交互設備在檢測和測量人體生理信號領域展現(xiàn)出巨大的前景。研究人員已經(jīng)開發(fā)了基于不同傳感機制的可穿戴或植入式柔性振動傳感器，用于準確采集人體運動中與振動相關的生理數(shù)據(jù)。然而，這些傳感器常常受到運動偽影和環(huán)境噪聲的干擾。在信號處理過程中，通常需要通過算法消除噪聲，但后端信號處理可能導致信號的部分失真和延遲。在蜘蛛的縫隙振動感受器官和帶有角質層墊的阻尼結構的啟發(fā)下，中國科學院福建物質結構研究所的官輪輝研究員團隊提出了一種新穎的仿生振動傳感系統(tǒng)�；谥┲膈乒橇鸭y結構設計的振動傳感器表現(xiàn)出極高的靈敏度和準確的振動感知能力，而凝膠阻尼器能夠有效地減弱外部偽影和噪聲對振動信號的影響，確保更清晰、更可靠的信號采集。這一傳感系統(tǒng)展示了一種有效的物理方法，用于提高信號的質量和抗干擾能力，在聲學分析和語音研究中具有巨大的應用潛力。

  蜘蛛的腿上有專門的感覺器官，稱為狹縫器官，它參與了振動和空氣運動的檢測。裂縫的幾何形狀通過使機械性順應性成為可能，從而允許對為狹縫在其周圍環(huán)境中對振動作出響應的小變形進行敏感識別。除了它們敏感的為狹縫器官外，蜘蛛還有一個獨特的阻尼系統(tǒng)，包括角質墊，它在蜘蛛的生存和捕獵策略中起著至關重要的作用。蜘蛛振動感受器中的角質墊具有阻尼和吸震特性，使蜘蛛能夠在有風和雨的條件下檢測由獵物引起的小振動信號。通過裂縫狀的為狹縫器官對高精度振動信號的獲取以及通過粘彈性角蛋白層對選擇性頻率過濾，蜘蛛能夠從環(huán)境中的固有噪音中區(qū)分和識別目標振動特征，實現(xiàn)物理過濾效果。裂縫器官與帶有角質墊的阻尼結構的結合賦予了蜘蛛一種精致而精密調節(jié)的感覺系統(tǒng)。許多研究人員一直關注蜘蛛生物感覺系統(tǒng)的潛力，這使得它們能夠進行廣泛而高靈敏的振動檢測。具體而言，蜘蛛狹縫啟發(fā)的傳感器有助于實現(xiàn)超高靈敏度。此外，用于底物的固有可拉伸彈性材料改善了其滯后、響應時間和感知范圍。盡管近年來通過引入裂縫結構在超高靈敏蜘蛛仿生傳感器方面取得了進展，但很少有研究關注如何提高其阻尼能力，以隔離或消除與目標無關的信號引起的干擾。凝膠阻尼表現(xiàn)出類似于蜘蛛角質的粘彈性。凝膠阻尼指的是在傳感器系統(tǒng)中利用凝膠材料來減輕或抑制信號中的干擾和噪音。通過利用凝膠的粘彈性特性，這種方法可以有效地減弱外部干擾，減少非期望的振動或振蕩。

圖2. 結構表征及界面穩(wěn)定性測試

圖3.裂紋傳感器的靜態(tài)和動態(tài)電機械響應性能

圖4. 阻尼性能及其在生物電子學中的相關應用

圖5. 阻尼集成傳感系統(tǒng)的測試及應用

  蜘蛛啟發(fā)的凝膠阻尼材料有助于保持傳感器的穩(wěn)定性和可靠性。此外，凝膠阻尼提供了一定程度的隔離環(huán)境的作用，最小化了外部因素對信號獲取的影響。它阻礙了外部運動偽跡和低頻機械噪音的傳遞，從而提高了獲取信號的純度和可靠性。如圖5j所示，將集成阻尼傳感器貼在男性的頸部后，獲取了一個發(fā)音“你好”的聲音信號。集成傳感器的聲學信號波形在發(fā)聲和松弛期之間顯示出明顯的差異。由阻尼集成傳感器收集的信號呈現(xiàn)出語音信號的典型特征，與具有較大幅度的表皮運動不同。通過采用快速傅立葉變換（FFT），具有凝膠阻尼器的裂縫傳感器的頻譜圖在語音信號與表皮運動或呼吸信號之間表現(xiàn)出相對明顯的分離。聲音信號的主要頻率主要集中在80到200Hz的范圍內(nèi)，低頻干擾振動信號得到了顯著減弱。

  該研究以題為“Physiological Sensing System Integrated with Vibration Sensor and Frequency Gel Dampers Inspired by Spider”的論文發(fā)表在《Materials Horizons》上。文章第一作者是中國科學院福建物構所黃建仁博士。通訊作者為中國科學院福建物構所的官輪輝研究員。該工作得到國家自然科學基金的資助。福建省腫瘤醫(yī)院放射生物學研究室林賢東博士為本工作提供了大力支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D3MH01719B

  官輪輝研究員課題組網(wǎng)站：https://www.x-mol.com/groups/Guan_lunhui