【儀表網 研發快訊】疲勞駕駛引起的交通事故每年正造成著我國數萬人死亡或重傷，在駕駛環境中對用戶生理狀態進行持續監測將對提升交通安全具有重要作用。傳統的車載傳感技術在高動態的座艙環境中存在著數據精準度、抗干擾能力、佩戴舒適度、隱私性等方面的缺陷。因此，研發一種能在高動態環境中實現可靠且持續生理狀態監測的傳感器尤為重要，而無線傳感技術與柔性可穿戴技術的結合為此提供了新的解決方案。
近日，清華大學深圳國際研究生院數據與信息研究院田曦團隊與新加坡國立大學何思遠(John S. Ho)團隊合作，報道了一種基于電磁超表面的生理監測傳感器，實現了在飛機和汽車等動態環境中高靈敏度、抗干擾、非接觸式的生理狀態監測。
電磁超表面傳感器采用人工表面等離激元結構，支持高壓縮表面電磁波的傳輸，相較于傳統無線傳感技術，能實現更高靈敏度和抗干擾能力的局部傳感(圖1)。通過開發的數字刺繡技術，該傳感器可被無縫集成到安全帶中，通過引導并增強無線信號與身體的交互作用，能透過衣物捕捉人體細微的生理運動。
圖1.非接觸式超表面傳感器
同時，超表面生物傳感器能被布置在安全帶的多個位置，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據均顯示與參考信號優秀的一致性，相關性均高于0.9，心率標準差錯誤低于3 bpm。
圖2.傳感器位于不同位置的生理狀態監測
使用該超表面傳感器，可在飛機機艙中進行日常活動的生理監測(圖3)。在有身體運動和背景噪聲干擾的動態環境中，傳感器仍能可靠地捕捉到呼吸和心跳信號。同時針對飛行中睡眠監測的需求，團隊驗證了該傳感器在不同的身體姿態中捕捉生理信號的能力，包括仰臥、俯臥和左右側臥，結果顯示中位心跳間隔(IBI)誤差僅為15毫秒。
圖3.連續生理參數監測
超表面傳感器的連續生理監測能力在實際車載環境中得到了進一步驗證(圖4)。盡管車輛環境中存在較大的振動噪聲干擾，但是該超表面傳感器仍能有效采集到各類生理信號。
圖4.駕駛環境中生理狀態參數監測
相關研究成果以“用于動態環境的數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日發表于《自然·電子》(Nature Electronics)。
清華大學深圳國際研究生院助理教授田曦、新加坡國立大學副教授何思遠(John S. Ho)為論文通訊作者，新加坡國立大學曾琪杭博士為論文第一作者。研究得到清華大學深圳國際研究生院、新加坡國立大學健康創新與技術研究所、新加坡航空-新國大聯合實驗室的支持。
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