隨著現(xiàn)代化進(jìn)程和大數(shù)據(jù)時(shí)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(fù)雜和可變形表面上實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量，且具有低成本、輕量化等特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)剛性電子器件的局限性。這些優(yōu)勢(shì)使得柔性電子器件在飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、可穿戴健康監(jiān)測(cè)等多領(lǐng)域中表現(xiàn)出色。
諸多可穿電子器件已被開(kāi)發(fā)出來(lái)用于收集人體生理信號(hào)，在疾病預(yù)測(cè)和診斷過(guò)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(guò)呼吸參數(shù)所體現(xiàn)，用于呼吸監(jiān)測(cè)的傳感器具有重要應(yīng)用意義，所獲取的信息可以為個(gè)人和公共健康提供有價(jià)值的指導(dǎo)意見(jiàn)。盡管先前報(bào)道的方案可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)呼吸頻率，但此類傳感器所需的多模態(tài)傳感和對(duì)動(dòng)態(tài)呼吸過(guò)程連續(xù)、長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)能力，到目前為止還不成熟。
針對(duì)上述問(wèn)題，南京航空航天大學(xué)李偉偉教授團(tuán)隊(duì)、楊浩教授團(tuán)隊(duì)與英國(guó)格拉斯哥大學(xué)Qingshen Jing助理教授，采用鈣鈦礦錳氧化物L(fēng)a0.7Sr0.3MnO3和氟金云母（Mica）制備了一種柔性可穿戴呼吸監(jiān)測(cè)傳感器，其對(duì)溫度變化具有多態(tài)響應(yīng)且具有優(yōu)異的機(jī)械彎曲魯棒性。在設(shè)計(jì)的兩種應(yīng)用場(chǎng)景（如圖1所示）中監(jiān)測(cè)人的呼吸狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此柔性La0.7Sr0.3MnO3/Mica傳感器在對(duì)呼吸的連續(xù)和長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)中表現(xiàn)出超強(qiáng)的穩(wěn)定性和多模態(tài)能力。相關(guān)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(cè)系統(tǒng)的實(shí)施路線圖
在這項(xiàng)工作中，合作團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(yīng)用場(chǎng)景（臨床監(jiān)測(cè)模式和日常監(jiān)測(cè)模式）中進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、連續(xù)、長(zhǎng)時(shí)間地對(duì)動(dòng)態(tài)呼吸過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)不同測(cè)試者在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的呼吸數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)分析與討論（如圖2所示）。
圖2. 不同測(cè)試者在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的呼吸波形與統(tǒng)計(jì)分析
此外，有限元模擬結(jié)果證明了La0.7Sr0.3MnO3中的熱擴(kuò)散是柔性La0.7Sr0.3MnO3/Mica傳感器電阻變化的原因，且模擬和實(shí)驗(yàn)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(shí)具有良好的分辨能力（如圖3所示）。本工作為設(shè)計(jì)新型柔性和可穿戴電子器件開(kāi)辟了一條道路。
圖3. 柔性呼吸傳感器的熱擴(kuò)散機(jī)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(cè)中具有重要的應(yīng)用意義。在兩種應(yīng)用場(chǎng)景的測(cè)試中，證明了柔性La0.7Sr0.3MnO3/Mica傳感器在監(jiān)測(cè)呼吸中的可行性。檢測(cè)到的呼吸信號(hào)可以在手機(jī)或電腦上實(shí)時(shí)獲取和查看。該傳感系統(tǒng)在連續(xù)、長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)呼吸中表現(xiàn)出出色的穩(wěn)定性和多模態(tài)能力。對(duì)來(lái)自不同測(cè)試者、不同運(yùn)動(dòng)情況的呼吸參數(shù)進(jìn)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(chǎng)分布是引起柔性La0.7Sr0.3MnO3/Mica傳感器在測(cè)量人類呼吸時(shí)電阻變化的原因。更重要的是模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明柔性La0.7Sr0.3MnO3/Mica傳感器對(duì)不同的呼吸模式具有良好的分辨能力。該研究工作為設(shè)計(jì)靈活和可穿戴的人類呼吸傳感器提供了一個(gè)新的途徑。
南京航空航天大學(xué)博士生葉鏈旭為論文第一作者，南京航空航天大學(xué)李偉偉教授、楊浩教授與英國(guó)格拉斯哥大學(xué)Qingshen Jing助理教授為論文的共同通訊作者。該項(xiàng)研究工作得到了蘇州科技大學(xué)趙潤(rùn)副教授、蘇州大學(xué)湯如俊教授、南京航空航天大學(xué)邱雷教授、美國(guó)普渡大學(xué)Haiyan Wang教授和英國(guó)劍橋大學(xué)Judith L. MacManus-Driscoll院士支持。該研究成果得到了國(guó)家高層次青年人才基金、國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇特聘教授、江蘇省自然基金、南京航空航天大學(xué)人才基金等項(xiàng)目的資助。
原文鏈接: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108460
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