清華新聞網(wǎng)10月18日電 疲勞駕駛引起的交通事故每年正造成著我國數(shù)萬人死亡或重傷，在駕駛環(huán)境中對用戶生理狀態(tài)進行持續(xù)監(jiān)測將對提升交通安全具有重要作用。傳統(tǒng)的車載傳感技術(shù)在高動態(tài)的座艙環(huán)境中存在著數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度、抗干擾能力、佩戴舒適度、隱私性等方面的缺陷。因此，研發(fā)一種能在高動態(tài)環(huán)境中實現(xiàn)可靠且持續(xù)生理狀態(tài)監(jiān)測的傳感器尤為重要，而無線傳感技術(shù)與柔性可穿戴技術(shù)的結(jié)合為此提供了新的解決方案。
近日，清華大學(xué)深圳國際研究生院數(shù)據(jù)與信息研究院田曦團隊與新加坡國立大學(xué)何思遠(yuǎn)（John S. Ho）團隊合作，報道了一種基于電磁超表面的生理監(jiān)測傳感器，實現(xiàn)了在飛機和汽車等動態(tài)環(huán)境中高靈敏度、抗干擾、非接觸式的生理狀態(tài)監(jiān)測。
電磁超表面?zhèn)鞲衅鞑捎萌斯け砻娴入x激元結(jié)構(gòu)，支持高壓縮表面電磁波的傳輸，相較于傳統(tǒng)無線傳感技術(shù)，能實現(xiàn)更高靈敏度和抗干擾能力的局部傳感（圖1）。通過開發(fā)的數(shù)字刺繡技術(shù)，該傳感器可被無縫集成到安全帶中，通過引導(dǎo)并增強無線信號與身體的交互作用，能透過衣物捕捉人體細(xì)微的生理運動。
圖1.非接觸式超表面?zhèn)鞲衅?/p>
同時，超表面生物傳感器能被布置在安全帶的多個位置，包括肩和腰部，且不受衣物材料和厚度的影響（圖2）。各處傳感器的表征數(shù)據(jù)均顯示與參考信號優(yōu)秀的一致性，相關(guān)性均高于0.9，心率標(biāo)準(zhǔn)差錯誤低于3 bpm。
圖2.傳感器位于不同位置的生理狀態(tài)監(jiān)測
使用該超表面?zhèn)鞲衅鳎稍陲w機機艙中進行日常活動的生理監(jiān)測（圖3）。在有身體運動和背景噪聲干擾的動態(tài)環(huán)境中，傳感器仍能可靠地捕捉到呼吸和心跳信號。同時針對飛行中睡眠監(jiān)測的需求，團隊驗證了該傳感器在不同的身體姿態(tài)中捕捉生理信號的能力，包括仰臥、俯臥和左右側(cè)臥，結(jié)果顯示中位心跳間隔（IBI）誤差僅為15毫秒。
圖3.連續(xù)生理參數(shù)監(jiān)測
超表面?zhèn)鞲衅鞯倪B續(xù)生理監(jiān)測能力在實際車載環(huán)境中得到了進一步驗證（圖4）。盡管車輛環(huán)境中存在較大的振動噪聲干擾，但是該超表面?zhèn)鞲衅魅阅苡行Р杉礁黝惿硇盘枴?/p>
圖4.駕駛環(huán)境中生理狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測
相關(guān)研究成果以“用于動態(tài)環(huán)境的數(shù)字化刺繡超表面生物傳感器”（A digitally embroidered metamaterial biosensor for kinetic environments）為題，于10月17日發(fā)表于《自然·電子》（Nature Electronics）。
清華大學(xué)深圳國際研究生院助理教授田曦、新加坡國立大學(xué)副教授何思遠(yuǎn)（John S. Ho）為論文通訊作者，新加坡國立大學(xué)曾琪杭博士為論文第一作者。研究得到清華大學(xué)深圳國際研究生院、新加坡國立大學(xué)健康創(chuàng)新與技術(shù)研究所、新加坡航空-新國大聯(lián)合實驗室的支持。
論文鏈接:
https://www.nature.com/articles/s41928-024-01263-4
供稿：深圳國際研究生院
題圖設(shè)計：金婭辰
編輯：李華山
審核：郭玲
