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  可穿戴設備以其靈活性高、實時監測能力強、使用便捷等優點，在醫療康復、健康監測、物聯網、人機交互等領域展現出日益強大的應用潛力。近日，北京師范大學閔銳、王茁團隊等聯合葡萄牙阿威羅大學Carlos Marques教授和巴西Arnaldo Leal Junior教授課題組報道了一種聚合物微光纖智能傳感器，以實現可穿戴的心肺監測與行為感知。如圖1所示，該論文提出了一種基于波浪結構聚合物微光纖(WPOMF)的新型可穿戴智能傳感器，用于人類的心肺功能和行為感知。該傳感器將高分子聚合物光纖材料制備成波浪形微結構，使得WPOMF傳感器具有更強的拉伸性能和更高的檢測靈敏度。基于WPOMF傳感器的心肺和行為監測實驗證明了WPOMF傳感器在執行可穿戴任務時的高靈敏度和高穩定性潛力。此外，AI輔助醫學關鍵詞發音識別實驗證明了AI技術與WPOMF傳感器結合的可行性，可以有效提高傳感器作為可穿戴設備的智能化程度。WPOMF傳感器作為一種微光纖智能傳感器，在疾病監測、康復醫學、物聯網等領域具有廣闊的應用前景。

圖1 聚合物微光纖智能傳感器及其應用示意圖

圖源：ACS Applied Materials & Interface (2024)

https://doi/10.1021/acsami.3c16165 (Fig. 1,2)

  可穿戴式多功能傳感器在生物醫學應用和健康監測等方面具有巨大的應用潛力，正在引起廣泛關注。目前，常用的可穿戴設備的應用場景包括各種物理生化信息的感知和檢測，如心率、呼吸、血氧、關節活動、足底壓力、血糖、汗液成分等。基于電容和壓阻設備的傳感器已被廣泛用來監測人體生理信號，例如手腕脈搏、心跳和手指脈搏。然而，這些設備仍然存在電磁輻射、靈活性低等問題，影響可穿戴體驗。可穿戴傳感器應具備良好的生物兼容性、輕薄便攜、靈活的傳感范圍和優越的拉伸性能等特點，同時器件制備應簡單、成本低，適合大規模生產。上述要求激發了研究人員對光學傳感器的研究熱情。近年來的研究表明，光纖可穿戴傳感器具有高靈敏度、高精度、抗電磁干擾的潛力，且直徑從亞微米到幾百微米的光纖配置靈活易制備。

圖2 聚合物微光纖智能傳感器制備與性能測試 (a) 傳感器制備； (b) 傳感器拉伸與恢復實驗； (c) 傳感器重復拉伸實驗； (d) 傳感器波浪結構顯微照片。圖源：ACS Applied Materials & Interface (2024)

https:// doi/10.1021/acsami.3c16165 (Fig. 3,4)

圖3 聚合物微光纖智能傳感器應用實驗 (a) 傳感器行為測試實驗；(b) 傳感器手腕脈搏測試；(c) 一維卷積神經網絡輔助的傳感器發音識別實驗。圖源：ACS Applied Materials & Interface (2024)

https:// doi/10.1021/acsami.3c16165 (Fig. 5,7,8)

  圖3展示了聚合物微光纖智能傳感器部分應用實驗結果。行為監測是WPOMF 傳感器的重要應用。論文著重報道了WPOMF傳感器在人體可穿戴關節、肌肉、發音等實驗中的行為監測結果，該傳感器的出現有望為康復訓練和臨床醫療提供更加便捷、準確的實時數據。圖3a展示了將WPOMF傳感器應用在手背與肱二頭肌進行行為監測的實驗結果，WPOMF傳感器可以完整記錄被試者手掌伸展、放松及肱二頭肌收縮和松弛的狀態。心肺功能監測也是可穿戴傳感器的重要應用，人體的上肢距離心臟較近，上肢脈搏是監測心肺功能的重要指標。圖3b展示了WPOMF傳感器手腕脈搏測試結果，將采集到的60秒原始信號通過傅立葉變換提取出心率和呼吸率信號。此外，為了全面提升WPOMF傳感器的傳感性能和應用范圍，文章構建了AI輔助的傳感器智能傳感系統。準確識別醫學關鍵詞，如“help”、“doctor”等，對于提高長期臥床患者的醫療監護效率至關重要，因此WPOMF傳感器被附著在志愿者的喉嚨上，用來捕捉喉部肌肉在發音時的細微運動。為了表征不同發音的分類結果，文章使用如圖3c的一維卷積神經網絡進行數據處理，混淆矩陣表明基于神經網絡的發音識別準確率達89%，驗證了基于WPOMF傳感器發音識別有效性。

  與現有的應用于生理信號監測的硅基光纖或微光纖傳感器不同，該工作結合了高分子聚合物材料和微光纖的優點，首次制備出用于生理信號和行為信息監測的智能WPOMF傳感器，所制備的聚合物微光纖被設計成柔性波浪結構，具有高拉伸性能和檢測靈敏度。心肺和行為檢測實驗證明了WPOMF傳感器在執行可穿戴任務時具有高靈敏度和穩定性潛力。人工智能輔助醫學關鍵詞發音識別實驗驗證了人工智能技術與WPOMF傳感器集成的可行性。在未來的工作中，我們要將WPOMF傳感器進一步構建成光電混合傳感系統，全面實現更為便捷的可穿戴監測，并繼續深化WPOMF傳感器與人工智能技術的深度融合，從而提高WPOMF傳感器在醫療監控、物聯網等領域應用的智能化水平。本文報道的可穿戴智能傳感器未來必將在物聯網、健康監測、人機交互等領域發揮重要作用。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.3c16165

作者簡介

  閔銳，北京師范大學副研究員，博導，主要研究方向為光纖生理信息分析、光學腦機接口、光纖成像以及光纖海洋監測。在國際知名期刊及會議發表論文130余篇，發表論文已獲引用2300余次，單篇最高引用260次，H因子27；授權國家發明專利2項；研究受到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金等科研項目的資助。擔任中國圖像圖形學學會類腦視覺專業委員會委員、中國儀器儀表學會青年工作委員會委員和珠海市神經科學學會理事；擔任IEEE Sensors Journal、Frontiers in Physics期刊編委，Fiber and Integrated Optics期刊編委會成員，Measurement、Instrumentation和Brain-X期刊青年編委；指導本科生獲得第十七屆“挑戰杯”廣東大學生課外學術科技作品競賽一等獎，獲得國家級大學生創新創業訓練計劃和廣東省攀登計劃重點項目等本科生創新項目的支持。

  王茁，北京師范大學博士后。2022年博士畢業于哈爾濱工業大學。主要從事高分辨率光纖傳感技術和柔性光纖器件在物理信息智能感知、生物醫學信息檢測、腦功能成像等方面的研究。近五年發表SCI論文29篇，其中以第一作者/通訊作者在ACS Applied Materials & Interfaces、Journal of Lightwave Technology、Optics Letters、Optics Express、IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics等領域內重要期刊上發表11篇，已授權國家發明專利8項。主持省部級項目兩項，作為核心骨干參與“國家重點研發計劃項目”、“國家自然科學基金”等多項國家級科研項目。