Прогресс в гибкой и носимой электронике для непрерывного мониторинга здоровья человека

Аннотация

Носимая электроника стала ключевой технологией в здравоохранении, предлагая неинвазивный мониторинг в реальном времени жизненно важных физиологических параметров. Используя мягкие, кожу-подобные подложки, эти устройства захватывают данные такие как пульс, температура и уровень глюкозы, позволяя проактивное управление здоровьем. Этот обзор охватывает наиболее широко используемые типы сенсоров — силы, температуры, биохимические и мультифункциональные — детализируя их принципы работы, структурные инновации и недавние прорывы. Мы также обсуждаем критические функциональные модули, включая самозапитанные источники и блоки обработки сигналов, повышающие практичность. Наконец, мы обозначеняем оставшиеся вызовы и перспективные направления исследований, которые продвинут носимый мониторинг здоровья к массовому принятию.

Введение

С появлением кремниевых полупроводников в 1950-х, промышленность электроники была перестроена непрерывной инновацией. Однако жесткость обычных кремниевых устройств ограничивает их интеграцию в гибкие, носимые форматы, требуемые для персонализированного здравоохранения. Гибкая и носимая электроника — созданная из эластомерных, текстильных или биосовместимых материалов — предлагает непревзойденную конформируемость, низкий вес и долговечность, делая их идеальными для непрерывного физиологического мониторинга.

Все чаще эти устройства предоставляют данные в реальном времени о сердечном ритме, дыхании, температуре и биохимических маркерах, позволяя своевременные оповещения для клиницистов и пользователей. Их универсальность расширяется до приложений такие как электронная кожа, захват движения и телемедицина, позиционируя их как краеугольный камень здравоохранения следующего поколения.

Недавние достижения в материалах, техниках фабрикации и сенсорных механизмах привели к улучшению производительности по категориям сенсоров. Рисунок 1 иллюстрирует эволюцию носимых сенсоров для мониторинга здоровья и суммирует ключевые стратегии дизайна, исследованные в этом обзоре.

Гибкие датчики силы

Датчики силы преобразуют механические стимулы — напряжение, давление, деформацию — в электрические сигналы. Обычные металлические или полупроводниковые датчики силы объемны и жестки, ограничивая их использование в носимых устройствах. В противовес, эластомерные подложки (например, PDMS, PU, SEBS) дают гибкие, прозрачные и растяжимые сенсоры, которые могут быть бесшовно интегрированы в одежду или непосредственно на кожу.

Эти сенсоры классифицируются на резистивные, емкостные и пьезоэлектрические типы, каждый с отличными преимуществами.

Резистивные датчики силы

Резистивные сенсоры обнаруживают изменения электрического сопротивления, вызванные деформацией. Активные материалы часто комбинируют проводящие наполнители — графен, углеродные нанотрубки, металлические нанопровода или проводящие полимеры — внутри эластомерной матрицы. Изменения сопротивления возникают от геометрических изменений, разделения наполнителей или сдвигов межфазного контакта. Пьезорезистивные дизайны ценятся за низкое потребление энергии и простую фабрикацию.

Микроструктурированные эластомерные подложки, такие как массивы микропирамид, драматически усиливают чувствительность, усиливая деформацию на проводящей сети. Например, Choong и др. продемонстрировали массив микропирамид PDMS, достигнувший десятикратного увеличения чувствительности к давлению. Однако традиционная формовочная фабрикация дорога, побуждая альтернативные низкозатратные методы шаблонирования как шелк или природные листья.

Включение пористых проводящих сетей — образованных внедрением микрокапсул или углекисленного тканевого материала — создает 3D сеть, которая деформируется легче под нагрузкой, дополнительно повышая чувствительность и скорость отклика. Wang и др. использовали микрокапсулы подсолнечника для фабрикации полого-сферического композита, демонстрирующего превосходное обнаружение деформации и давления на человеческом пальце или горле.

Емкостные датчики силы

Емкостные сенсоры измеряют изменения емкости из-за вариаций толщины диэлектрика или площади электродов. Используя гибкие диэлектрические слои (PDMS, SEBS) и проводящие электроды (CNTs, Ag нанопровода), эти устройства предлагают высокую чувствительность и низкие пределы детекции. Микроструктурирование либо диэлектрика, либо электродов дополнительно улучшает производительность, увеличивая сжимаемость и вводя контролируемые воздушные пустоты, модулирующие диэлектрическую проницаемость под нагрузкой.

Интеграция органических полевых транзисторов (OFETs) с микроструктурированными диэлектриками дает ультравысокую чувствительность (8,4 кПа⁻¹) и быстрый (<10 мс) отклик, идеальный для обнаружения пульсовой волны. Несмотря на их сильные стороны, емкостные сенсоры могут страдать от нелинейности и паразитной емкости, требующей тщательного проектирования схемы.

Пьезоэлектрические датчики силы

Пьезоэлектрические сенсоры конвертируют механическую деформацию в напряжение. Материалы такие как P(VDF-TrFE), ZnO нанопровода и PZT наноструктуры часто используются. P(VDF-TrFE) предлагает отличную гибкость и большой пьезоэлектрический коэффициент, позволяя обнаружение минимальных давлений (≈0,1 Па) в приложениях как робототехническое тактильное сенсирование.

В то время как пьезоэлектрические сенсоры превосходят в захвате динамических событий, они не могут обнаруживать статическое давление из-за отсутствия непрерывного напряжения на выходе. Гибридные дизайны — например, PTNWs/графен гетероструктуры — конвертируют деформацию-индуцированные поляризационные изменения в вариации подвижности носителей, позволяя измерение статического давления с усиленной чувствительностью.

Гибкие датчики температуры

Точный мониторинг температуры кожи важен для раннего обнаружения лихорадки, анемии или других системных состояний. Гибкие датчики температуры делятся на резистивные, пироэлектрические и термисторные категории.

Резистивные датчики температуры

Эти сенсоры полагаются на температурный коэффициент сопротивления (TCR) металла или углерод-основанных композитов. Стратегии преодоления ограниченной растяжимости включают сморщенные пленочные структуры, подковковидные структуры и жесткие островные дизайны, достигающие деформации до 30% с минимальной потерей производительности. PEDOT:PSS-CNT композиты и графен-основанные термисторы предлагают более высокие TCR (0,25–0,63 %/°C) и внутреннюю растяжимость, хотя деформация-индуцированные изменения сопротивления все еще вызывают вызов.

Продвинутые дифференциальные схемы, такие как использующие SWCNT транзисторы, подавляют деформацию-индуцированные сдвиги порогового напряжения, позволяя точные температурные показания до 50% деформации. Затворные устройства на основе R-GO/PU композитов продемонстрировали превосходную чувствительность (1,34 %/°C) по сравнению с резистивными аналогами.

Пироэлектрические датчики температуры

Пироэлектрические материалы (PZT, LiTaO₃, PVDF-TrFE) генерируют поверхностные заряды в ответ на температурные изменения. Гибкие пироэлектрические OFETs, включающие P(VDF-TrFE) с BaTiO₃ наночастицами, могут отличать температурные эффекты от механической деформации, позволяя надежное сенсирование под сложными состояниями деформации.

Гибкие физиологические биохимические сенсоры

Неинвазивный мониторинг биохимических маркеров — глюкозы, электролитов, лактата — стал возможным с гибкими электрохимическими платформами. Эти сенсоры эксплуатируют химические реакции между аналитами и слоями распознавания, конвертируя их в измеримые электрические изменения.

Chen и др. представили кожный биосенсор, использующий подкожные электрохимические двойные каналы (ETCs) для притяжения крови глюкозы к поверхности кожи, где она обнаруживается иммобилизованной глюкозооксидазой. Показания сенсора тесно совпадали с обычными глюкометрами в течение многодневного тестирования.

Для анализа пота, Gao и др. фабриковали мультифункциональный патч, включающий отдельные микроэлектроды для Na⁺, K⁺, глюкозы и лактата. Гибкая печатная плата обрабатывала и беспроводно передавала данные, позволяя оценку гидратации и метаболического статуса в реальном времени.

Мультифункциональные сенсоры

Комбинирование деформации, давления, температуры, влажности и газового сенсирования в единую, ламинированную e-скин платформу позволяет комплексный физиологический мониторинг. Harada и др. продемонстрировали трехосевой тактильный массив и температурный сенсор на одной печати, в то время как Ho и др. интегрировали графен-основанные влажностные, термические и емкостные деформационные сенсоры в 3 × 3 матрицу.

Эти многослойные архитектуры сохраняют индивидуальную специфичность сенсоров, минимизируя перекрестные помехи, критическое требование для реальных приложений, где множественные стимулы происходят одновременно.

Функциональные модули носимой электроники

Для действительно автономной носимой системы, генерация энергии и обработка данных должны быть интегрированы в устройство. Наногенераторы — основанные на трибоэлектрических, пьезоэлектрических и пироэлектрических эффектах — собирают механическую или тепловую энергию от тела для питания сенсоров или низкоэнергетической электроники.

Zi и др. представили гибридную трибо-пиро-пьезо ячейку, которая одновременно собирает скользящее движение и трение тепло, доставляя достаточное напряжение для управления LEDs и сенсирования тонких температурных или деформационных изменений. Параллельные исследования достигли высокой растяжимости (до 1160% деформации) и прозрачности (>90%) в мягких трибоэлектрических генераторах, позволяя бесшовную интеграцию с кожей или одеждой.

Обработка сигналов остается узким местом; большинство текущих систем парят гибкие сенсоры с жесткой кремниевой электроникой. Новые гибкие печатные платы (FPCBs) и внутренне растяжимые ICs начинают преодолевать этот разрыв, но вызовы в полной системной интеграции — особенно в управлении энергией, передаче данных в реальном времени и форм-факторе — сохраняются.

Заключения и перспективы

Гибкая и носимая электроника созрела в мощные инструменты для непрерывного мониторинга здоровья благодаря прогрессу в чувствительности сенсоров, долговечности и интеграции. Тем не менее остаются несколько препятствий: точное дискриминирование источников механических сигналов, одновременная высокая растяжимость и деформационно-иммунное температурное сенсирование, улучшенная биохимическая точность, безперебойная мультифункциональность и полностью автономная, in-situ обработка данных.

1. Датчики силы должны надежно разрешать пульс, мышечные и контактные силы в направление-зависимом режиме.

2. Датчики температуры должны комбинировать высокую растяжимость, чувствительность и декомпенсацию деформации.

3. Биохимические сенсоры требуют улучшенной точности и более глубокого доступа к внутренним жидкостям, возможно через имплантируемые или минимально инвазивные интерфейсы.

4. Мультифункциональные платформы должны обнаруживать разнообразные стимулы без интерференций, требуя новых материалов и архитектур.

5. Сквозная интеграция питания, обусловливания сигнала и беспроводной передачи необходима для практического развертывания.

Доступность данных и материалов

Не применимо.

Аббревиатуры

Au:

Золото

Cu:

Медь

CVD:

Химическое осаждение из паровой фазы

LED:

Светодиод

NW:

Нанопровод

OFET:

Органический полевой транзистор

P(VDF-TrFE):

Поли(винилиденфторид-трифлуороэтилен)

PAAm:

Полиакриламид

PbTiO₃:

Титанат свинца

PDMS:

Полидиметилсилоксан

Pt:

Платина

PU:

Полиуретан

PZT:

Цирконат титана свинца

SEBS:

Стирен-этилен-бутилен-стирен блок-кополимер

VHB:

Очень высокое сцепление

ZnO:

Оксид цинка