新传感器使智能尿布和一系列其他健康监测器成为可能

哇啊啊!虽然婴儿有一种自然的机制来提醒父母他们需要换尿布，但宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发的一种新传感器可以帮助日托、医院和其他机构的工作人员为他们的孩子提供更直接的护理。

这种新的传感器——生产起来非常便宜和简单，可以用铅笔手绘到用氯化钠处理过的纸上——可以为可穿戴、自供电的健康监测器扫清道路，不仅可以用于“智能尿布”，还可以用于预测心脏骤停和肺炎等重大健康问题。

“我们的团队一直专注于开发能够捕获人类健康重要信息的设备，”宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学副教授Huanyu“Larry”Cheng说。“我们的目标是及早预测疾病状况和健康状况，在为时已晚之前发现问题。”

Cheng是一项新研究的主要作者，该研究发表在NanoLetters杂志上上，该研究描述了可靠的手绘电极传感器的设计和制造过程。传感器是用铅笔在用氯化钠溶液处理过的纸上画出来的。水合作用传感器对湿度变化高度敏感，可在5.6%至90%的广泛相对湿度水平范围内提供准确读数。

Cheng解释说，由于可穿戴传感器在医疗健康、灾害预警和军事防御方面的广泛应用，其研究一直在蓬勃发展。他补充说，柔性湿度传感器在医疗保健中变得越来越必要，用于呼吸监测和皮肤湿度检测等用途，但通过简单、低成本的制造工艺实现高灵敏度和易于处理仍然具有挑战性。

中国河北工业大学人工智能学院教授李阳说：“我们想开发一种低成本的东西，人们会理解如何制作和使用——没有什么比铅笔和纸更容易获得的了。”.“你不需要一些价值数百万美元的制造设备。你只需要能够在经过处理的纸上预先绘制的电极线内绘制即可。它可以简单而轻松地完成迅速地。”

该设备利用纸张对湿度变化的自然反应方式，并使用铅笔中的石墨与水分子和氯化钠溶液相互作用。当水分子被纸张吸收时，溶液被电离，电子开始流向铅笔中的石墨，触发传感器，传感器检测环境中的湿度变化，并向智能手机发送信号，智能手机会显示和记录数据。

从本质上讲，在经过预处理的线条内的经过预处理的纸上绘制可以创建微型纸电路板。该纸可以通过铜线和导电银浆连接到计算机上，作为环境湿度检测器。对于无线应用，例如“智能尿布”和基于面罩的呼吸监测，绘图连接到一个微型锂电池，该电池为通过蓝牙向智能手机传输数据提供动力。

对于呼吸监测器，该团队将电极直接绘制在经过溶液处理的面罩上。该传感器很容易区分口呼吸和鼻呼吸，并能够将呼吸状态分为三种：深呼吸、规则呼吸和快速呼吸。程解释说，收集的数据可用于检测各种疾病的发作，例如呼吸停止和呼吸急促，并为智能物联网和远程医疗提供机会。

插图显示了纸上铅笔水合传感器的制造和应用。示意图显示了(a)制造过程和(b)柔性纸上铅笔水合传感器的响应机制，以及(c)在健康监测、非接触式开关和皮肤表征中的应用。图片来源：Huanyu"Larry"Cheng/宾夕法尼亚州立大学

他补充说，呼吸频率是一个基本的生命体征，研究表明它是各种病理状况的早期指标，例如心脏事件、肺炎和临床恶化。它还可以指示情绪压力源，如认知负荷、热、冷、体力劳动和运动引起的疲劳。

与呼吸相比，人体皮肤的湿度变化较小，但研究人员仍然能够使用他们的纸上铅笔湿度传感器检测到变化，即使在测试对象涂抹乳液或锻炼后也是如此。Cheng解释说，皮肤是人体最大的器官，因此如果它不能正确处理水分，则可能表明存在其他一些健康问题。

“不同类型的疾病会导致我们皮肤失水的速度不同，”他说。“皮肤会根据这些潜在条件发挥不同的作用，我们将能够使用传感器标记并可能表征这些条件。”

该团队还在尿布的吸收层之间集成了四个湿度传感器，以创建一种“智能尿布”，能够检测湿度并发出变化警报。

“这个申请实际上是出于个人经历，”身为两个年幼孩子的父亲的程说。“没有简单的方法可以知道有多湿，而这些信息对父母来说可能真的很有价值。传感器可以提供短期数据，以提醒尿布更换，但也可以提供长期数据，以显示模式这可以让父母了解他们孩子的整体健康状况。”

Cheng解释说，湿度传感器的应用超出了“智能尿布”和监测呼吸和排汗的范围。该团队还将传感器部署为非接触式开关，它可以在手指不接触传​​感器的情况下感知空气中的湿度变化。该团队使用非接触式开关来操作小型电梯、弹奏键盘并点亮LED阵列。

“手指上的原子不需要触摸按钮，它们只需要靠近表面即可扩散水分子并触发信号，”Cheng说。“当我们考虑我们从大流行中学到的关于限制身体与共享表面接触的必要性时，像这样的传感器可能是阻止潜在污染的重要工具。”