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零距离触碰 日本研发薄膜传感器

2015/2/9 12:24:56
文章来源:网络

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  日本东京大学研究生院工学系研究科教授染谷隆夫领导的研究小组开发出了可直接贴在身上测量体征信息的薄膜状传感器。设想用于保健、医疗、体育、社会福利等领域,还计划嵌入体内使用。

  

  零距离触碰 日本研发薄膜传感器

  东京大学开发出了人体舒适性高的粘附性凝胶,可将在超薄高分子膜上制成的体征传感器直接贴在皮肤表面。即使监测对象在不停活动,传感器也不会发生位移、脱落及破损,可以稳定地监测体征信息。验证实验结果表明,该传感器可以精确测量物理量(应变)和生理电信号(心电)。

  “粘合剂”是关键

  染谷领导的研究小组以前就利用有机晶体管技术开发出了设想贴在身上使用的质轻柔软的薄膜传感器。为了将这种传感器贴在身上使用,这次开发出了“粘合剂”材料。

  设计时重视了以下几个方面:只用人体舒适性好的材料制造;对人体组织有粘附性;容易加工的形状(制作布线图案)。通过在聚轮烷凝胶中掺入粘合剂等使用的聚乙烯醇并添加光交联剂,这些性质都得以实现。

  制造传感器的步骤如下:首先在仅1.4μm厚的超薄PET薄膜上呈格状配置有机晶体管以及测量电信号用的电极和布线。传感器面积为4.8cm×4.8cm,间隔4mm配置144(12×12)个测量点。

  其次,在整个薄膜上旋涂这次开发的凝胶材料,利用曝光装置只对电极部分照射激光。这时,只有涂在电极上的部分变成凝胶,其他部分的凝胶材料溶于水,脱落 下来。在与监测对象保持接触所需要的电极上“选择性涂布‘水性浆糊'”(染谷),就可以制成具有粘附性的薄膜状传感器。

  监测大鼠的心电

  这次传感器最大的特点是可以随着监测对象的活动测量体征信息。即使外部施加应力等,超薄薄膜也会通过起皱来吸收应力,电极通过粘附性凝胶与监测对象保持良好的接触。

  实际将试制的传感器贴到膨胀气球的表面,抽出空气并施加100%的压缩应力,传感器并未出现脱落和电气特性改变。原来质地比较硬的传感器受人体活动干扰,无法准确获取体征信息,而这次的传感器可以避免这一问题。

  染谷等人将开发的传感器贴在大鼠心脏表面,进行了监测心电的实验。使用普通金属电极的传感器将接触位置的位移作为噪声重叠在心电波形上。而这次开发的使 用粘附性凝胶的传感器可以稳定且准确地测量心电,“还能够获取心电波形中典型的微小结构”。通过MRI还发现:贴在大鼠心脏表面的传感器在24个多小时内 未发生位移。凝胶材料中的聚乙烯醇随着时间流逝会溶化失去粘附性,因此监测完以后可轻松揭下来。

  将传感器贴在心脏表面进行多点监测的方法,可以监测到从体外很难看到的“心脏电信号分布”(染谷)。研发小组还成功监测到了堵塞冠动脉引起心绞痛的大鼠心脏信号的传播。

  还可监测手指的活动

  此外,研究小组按照跟心电传感器一样的开发要领,开发出了根据布线的电阻值变化来测量应变量的传感器。贴在人的手指表面,成功监测了手指的活动。据研究 小组介绍,这次反复施加20%左右的应力进行了监测,结果都测到了应变量,传感器没有丝毫劣化。原来的应变传感器“都在灵敏度等方面展开竞争,但实际上真 正需要的是(这次开发的这种)不会损坏的应变传感器”(染谷)。

  这次开发的传感器在实用化方面还有三大课题:(1)进一步提高人体舒适性,不能引发身体炎症,(2)在有活动和温度的人体环境下,提高可靠性和稳定性,(3)开发供电及无线通信等实现系统化的周边技术。

  本次成果是通过日本科学技术振兴机构(JST)的战略性创造研究推进业务统括实施型研究(ERATO)“人体亲和电子项目”获得的,已于2014年12月19日(英国时间)在英国科学杂志《Nature Communications》上发表。

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