研究背景
随着人们对身体健康状况的重视以及柔性电子和功能材料技术的进步，能够监测人体各种机械、电气、生理和电化学信号的可穿戴设备的发展势头越来越好。特别是受到病毒COVID-19大流行的影响，症状轻微的患者在家中自我诊断受到限制，导致需要在个人便携式监测配件的协助下进行远程检查和治疗。在各类关键信息中，压力传感可用于检测身体运动、生命体征和深层组织，提供精准医疗、个性化疾病诊断和运动表现。然而，目前大多数可穿戴设备通过有线连接操作，这损害了系统的自主性和连续实时能力限制了用户的便携性和流动性。因此，目前的可穿戴压力传感设备已经朝着压力传感之外的集成系统发展，同时将信号采集、数据接口和信息显示纳入传感器。
尽管无线传输技术使用户能够通过外部设备 (如电脑、智能手机和接收器)获取检测信息但纳入现场视觉信息显示可以进一步扩大其应用范围，为用户提供直接和及时的互动，而不需要不方便的无线数据访问。尽管如此，在一个紧凑的穿戴平台内整合准确的定量监测和及时的可视化，存在很大障碍。传统的发光显示技术可以被加工成具有高对比度和可穿戴特性的柔性形式，然而，其高能耗限制了其在小型化和低功耗系统中的应用。另外，非发光显示器，如液晶和电子墨水显示器，功耗低，可以有效地显示信息，但耐磨性差。与发光显示技术相比，电致变色器件的功耗较低，只有在改变显示内容时才需要能量，而且显示内容可以在没有电源的情况下保持不变，因此引起了人们的极大兴趣。遗憾的是，现有的大多数器件都是采用单个传感和电致变色部件的组合构造，存在着集成程序复杂结构复杂等缺点，期待进一步简化。
研究成果
用于无线收集和及时分析由可穿戴设备捕获的各种信息的新兴技术的进展越来越受到关注。在此，韩国光云大学Jong-Chul Lee教授联合北京理工大学沈国震教授&山东大学Yang Li教授团队提出了一种通过简单的光固化工艺制备的交联离子水凝胶，它允许可穿戴设备进一步被纳入两个无线集成系统，用于压力监测应用。该装置通过有效地共享功能层，而不是传统的两个单独的组合，表现出简化的结构，提供了离子传感和电致变色的突出性能，同时量化和可视化压力。所开发的智能贴片系统被证明可以使用带有蓝牙协议的远程便携设备的用户界面和现场电致变色显示器实时监测生理信号。此外，还设计了一个基于磁耦合效应的无源无线系统该系统可以在不使用电池的情况下运行并同时获取多种压力信息。可以预见这些策略将为灵活的电子设备、多功能传感平台和无线体外网络带来巨大潜力。相关研究以“Incorporating Wireless Strategies to Wearable Devices Enabled by Photocurable Hydrogel for Monitoring Pressure Information”为题发表在Advanced Materials期刊上。
研究亮点
1. 提出了一种可光固化的离子水凝胶，报告了一个二合一的可穿戴设备，结合了离子压力感应和电致变色显示，大大降低了设备的复杂性和制造工艺。
2. 所设计的智能无线贴片系统结合了一个带有蓝牙协议的系统芯片(SoC)和一个快速响应和可逆的基于 PEDOT:PSS 的电致变色显示器，实现了远程用户接口和生理数据的及时现场可视化。
3. 无线集成系统具有普遍性，并有可能扩展到视觉和被动监测，为自主人工智能、医疗保健和皮肤假体的前瞻性应用提供了有价值的见解。
图文导读
Figure 1. a) Chemical structure of three critical constituents of the polymer matrix. b) Schematic depiction of synthesis of the photocurable ionic hydrogel. c) Overall structure of the wearable device capable of quantitative and visual analysis of pressure. d) Illustration of the wireless integrated systems composed of wearable devices with the assistance of Bluetooth and magnetic coupling.
Figure 2. a) Relative capacitance variation and highest sensitivity of the devices with different concentrations of LiCl. b) Photographs of photocurable hydrogel with different concentrations of LiCl. c) Relative capacitance response when a tiny pressure of 1.2 Pa is applied to the device. d)Response and recovery time of the device. e) Detection of additional small pressure of 1 kPa under loading pressures of 68 kPa. f) Real-time detection of the device under serial pressures of 11–70 kPa. g) Relative capacitance response against different bending angles. h) Comparison of the device with previously reported devices on three key performance parameters of pressure sensing performance: sensitivity (preferred to be higher), maximum working range (preferred to be higher) and response time (preferred to be lower). i) Transmission spectra of the device at initial and different coloring states. (Insets are the photos of the device in bleached and colored states.) j) Optical response times for coloring and bleaching process. k) Transmittance curves after bending the device 100, 200, 300, and 400 times at an angle of 30°.
Figure 3. a) Structural diagram of the evolution of independent devices into the two-in-one device. b) Ionic migrations in the coloring and bleaching processes of the device. c) (I) Schematic for the pressure sensing mechanism of the iontronic pressure and equivalent circuit diagram. (II) Compressibility and stress distribution of the wearable device under pressures varying from 0 to 200 kPa.
Figure 4. a) Schematic illustration of the smart wireless patch system. b) Block diagram of the overall flow of the system operation. c) Images of the fabricated flexible PCB and smart patch system worn on the wrist, and its continuous monitoring data. d) Tablet user interfaces for reading out the physiological signals and photographs of color changes for the on-site alert.
Figure 5. a) Fabrication of wireless and passive pressure sensing device using the flexible electrode. b) Schematic illustration (I) and equivalent circuit diagram (II) of the wireless transmission system. c)Simulation of electric and magnetic field distribution on the surface of spiral inductor coil. d) (I) Measured S11 curves of the device at different pressures and (II) the magnified view of 0.28−0.40 GHz. e) Response of S11 curves of the device under different bending angles. f) Schematic diagram of the array with 3 pressure sensing units. g) Frequency response curves of the array under different pressures. h) Binary numbers encoded by 3 unit signals of the array.
总结与展望
综上所述，作者提出并展示了用于可穿戴设备的简单而高效的无线读取策略，以实现压力信息的实时和现场检测。光固化离子水凝胶优异的光学、离子和机械性能，加上其简单的工作结构，确保了二合一设备具有令人满意的工作特性。验证了离子压力传感在灵敏度、LOD响应时间和耐久性方面的综合性能，以及电致变色在着色速度、对比度和循环稳定性方面的综合性能，证明了其进一步实际应用的潜力。为了充分说明可穿戴设备在高级健康监测和人机界面场景中的可行性，实现了两个基于蓝牙和无源磁耦合技术的无线集成系统。使用可穿戴设备的蓝牙集成贴片系统被应用于监测生理信号，电致变色部分直接可视化并在用户界面上实时显示。为了实现更多不同颜色的显示，未来可以将两种电致变色材料作为互补效果灌输到同一个可穿戴设备中，其中一种为阳极着色，另一种为阴极着色。此外展示了无源无线传感系统捕捉各种压力信息并对多路信号进行编码的能力。考虑到光固化离子复合材料的多功能性，应变、压力、温度、湿度和气体的检测有可能被纳入，以扩大系统的多功能性。集成系统的集体结果说明了所提出的水凝胶优化、可穿戴设备集成和无线技术将如何改变在推进医疗保健和产品性能方面的利用方式。
文献链接
Incorporating Wireless Strategies to Wearable Devices Enabled by Photocurable Hydrogel for Monitoring Pressure Information
https://doi.org/10.1002/adma.202300855
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