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Highlighting JAPAN

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科学技术

测量身体

贴身不脱落的片状生命体征传感器的诞生



由于大数据在医疗领域被利用的可能性在增加,对于能够在各种条件下获取生命体征数据的传感器技术的需求也在上涨。与医疗机构的血液、诊断图像数据所不同的是,这种技术是为了测量日常生命体征传感信息,从而使用这些数据来提高保健预防和促进健康。

东京大学大学院工学部的染谷隆夫教授开发出了可以直接贴在皮肤上的片状生命体征信息测定传感器。它的厚度只有1.4微米,相当于食品保鲜膜的十分之一,在这个超薄的高分子聚合物膜上面装有高性能有机晶体管集成电路。如同贴附在身体上的药膏一样,在伸缩的情况下也不会脱落。

为了捕获(感知和识别)生命特征信息,片状的传感器需要采用生物相容性高的材料,这样即使在弯曲和扭曲等复杂运动的时候也一定不会脱落。于是,通过把聚乙烯醇(一种常见的粘合剂成分)与聚轮烷凝胶均一的混合起来,染谷教授开发出了一种局部粘着性很高的水基型胶粘剂。而且,传感器有电极的部分才会有粘性,它还能牢牢地粘附在身体组织湿润的部分。同时,在光的照射下,胶粘剂还可以形成各种各样的图案。

12乘以12(144)个传感器被安装在一个4.8平方厘米的原型集成电路上,传感器的间隔距离为4毫米。生物体散发出的微弱的电子信号可以被高精度的测量出来。在实验中,粘附在指关节的传感器成功地测量出物理的应变量。此外,直接粘附在老鼠心脏表面的片状传感器可以测量出高精度的心电图信号。染谷教授说:“直接粘附在心脏的话,可以把从体外难以捕捉到的局部电子信号测量出来,从而使得这种片状传感器具有与传统诊断不一样的用途。”

由于胶粘剂的粘性会随时间最终消失掉,所以在测量之后,能够很容易地从皮肤或者心脏表面去除。粘着性和持续时间也可以根据不同的使用目的而提前设置好。由于传感器是被使用到器官的表面,所以调整好粘性是关键,粘性太强会不利于去除,粘性太弱会导致粘不住。

作为有机晶体管研究方面的专家,染谷教授的研究一直是以世界上最轻最薄也柔软的传感器而知名,但对更薄和更柔软的执着追求,他最终研发出了可以直接粘附在身体上的传感器。在研发中曾经遇到的问题有很多也很复杂。染谷教授解释说:“在水和氧的条件下,电子设备会劣质化,所以高温多湿的人体是最恶劣的环境。其次,安全是另外一个绝对的要求,同时我们还需要开发出在复杂运动中也不会被影响,可以安全可靠运行的传感器。”

染谷教授的片状传感器可以在被测试本人觉察不到的自然状态下,持续地进行高精度测量。由于可以被使用在心脏等人体内部器官组织,人们期待它有更多的用途,比如医疗、保健、体育、福利等方面。为了推进到人体的应用上,这必须要对安全性和生物相容性等方面进行确认。作为最终的可穿戴装置,片状传感器具有在未来扩展到电子设备上的潜力。



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