开发模仿感觉神经元的低功耗长效汗液传感器贴片
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由于可穿戴汗液傳感器貼片由于實時連續數據無線傳輸而產生大量冗余數據并消耗相當大的能量,因此難以實現足夠的操作時間以使其實用化。
自旋電子學中心的 Hyunjung Yi 博士的研究團隊和漢陽大學機械工程系的 Rhokyun Kwak 教授的研究團隊開發了一種可穿戴式汗液傳感器貼片,通過模仿有效信息,可以運行 24 小時以上,大大提高了能效感覺神經元的處理方法。
當人類感覺神經元接收到外部刺激時,它將信息轉化為尖峰信號。外部刺激強度與尖峰信號頻率成正比。神經元使用的這種基于事件的尖峰信號處理方法可以高效、快速、準確地處理大量復雜的外部刺激數據。如果應用這種人類感覺神經元使用的“基于事件的無線監測”方法,只有在與用戶健康指標相關的重要事件發生時才傳輸數據,從而最大限度地減少無線監測器的能耗。
這些研究團隊開發了一種無線可穿戴汗液傳感器貼片,它可以模仿感覺神經元的“尖峰信號”,并在臨床試驗中證明能夠通過基于事件的無線監測顯著降低能耗。汗水貼片的結構是在一個圓錐形開放的垂直汗液通道頂部放置一個汗液去除層,該通道可以快速去除通道中的汗水填充物(見上圖)。
每個汗液通道內壁都有一對電極,可以將汗液充滿通道和排出的過程轉化為電信號。當通道充滿時,電信號會增加,而每次汗液瞬間排出時,電信號就會迅速減少。隨著這個過程的重復,一個尖峰信號被創建。尖峰信號的頻率和振幅攜帶有關汗液排泄速度和汗液離子成分濃度的可解釋信息。
通過反復充填和排空的過程,汗液傳感器可以長時間連續工作,并且由于新分泌的汗液不會與已有的汗液混合,因此傳感器可以傳遞準確的信息。研究團隊通過實驗證明,這種基于事件的數據傳輸方式的能耗僅為連續數據傳輸能耗的0.63%,使研發的可穿戴汗液傳感器貼片能夠連續運行24小時以上。臨床試驗已成功獲得真實運動情況下各種皮膚表面汗液的信息。
該貼片的開發可實現長期汗液監測,可用于檢測急性疾病或其前兆,例如夜間低血糖休克和心臟病發作。通過應用于其他類型的皮膚附著傳感器和采用新的計算技術,這種傳感方法有望實現更節能、更智能的數字健康管理。
該研究發表在《自然通訊》雜志上。
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總結
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