Nano energy: 受机械感受器启发的入耳式摩擦电传感器用于无约束的生理监测和人机交互
01 导读
近年来，可穿戴技术受到了极大的关注，因为它有可能彻底改变我们监测健康和与技术交互的方式。特别是可穿戴传感器一直是研究的焦点，因为它们可以提供生命体征、身体活动和其他健康相关参数的实时数据。大多数报道的设备需要粘合剂或绷带形式的额外支撑才能附着在皮肤上，从而增加了它们对身体的干扰或不适。此外，这些设备通常佩戴在进行剧烈运动的身体部位，例如手指、膝盖、肘部和手腕，以监测身体活动或生理信息，这仍然会限制运动和活动能力。此外，庞大的后端信号处理电路阻碍了这些可穿戴设备的小型化集成和商业化。
02【成果掠影】
耳戴式设备由于其稳定的佩戴位置和与耳道的良好贴合的结构，具有非侵入性、不显眼、固定牢固、减少运动伪影等众多优点，从而使其成为有效解决问题的理想解决方案。新加坡南洋理工大学(NTU) Wei Lin Leong团队提出了提出了一种受机械感受器启发的耳戴式摩擦电传感器，它可以实现不受约束的面部表情监测，例如眼睛和嘴巴的运动，以及演示仅基于眼球运动的免提打字系统。低功耗有机电化学晶体管的集成高输出电流可以将摩擦电传感器的电流信号放大至少3个数量级，从而能够准确提取耳道内脉搏波刺激的微小压力变化。此外，有机电化学晶体管赋予的信号保留能力可实现扩展的控制模式，这在眼触发音乐播放控制系统中得到了证明。该工作展示了耳戴式摩擦电传感器在无障碍健康监测和无缝人机交互方面的巨大潜力。
03【核心创新点】
1 开发了一种不受约束的耳戴式机械感受器传感器，用于生理监测和人机交互应用。
2 引入互锁微结构和掺杂离子液体实现了高性能摩擦电传感器。
3 集成 OECT 将摩擦电传感器电流输出提高了 3 个数量级。
04【数据概览】
图1 . OECT 集成 PVDF-HFP/离子液体摩擦电传感器 (PILTS) 的设计。a，OECT集成摩擦电耳戴式传感器的总体概念，用于耳内脉冲监测和基于表情的人机交互。b，通过将离子液体嵌入PVDF-HFP基质中实现的离子聚合物。c，使用PET模板通过二次反转制备具有微圆顶结构的聚合物薄膜的工艺示意图。d、光学显微镜具有微圆顶结构的PET模板、具有微半球孔的PDMS模板、具有微圆顶结构的PVDF-HFP和具有微圆顶结构的TPU的图像。比例尺：300 µm。e，通过将摩擦电传感器组件集成到商用耳机上而制造的耳戴式传感器。
图2 . PILTS的工作机理和电气性能。a，具有互锁结构的摩擦电传感器的方案。b，摩擦电传感器工作机制示意图。c，不同 IL 浓度下 PILTS 的电压和 d，电流。e，不同IL浓度的PILTS在不同力下的电流响应。f，不同IL浓度的PILTS的灵敏度。g，PILTS在7.5 kPa的力下10,000次循环的稳定性。h，稳定性波形的第一个和最后几个周期。
图3 . 耳戴式 PILTS 可监控嘴和眼的运动，从而实现免提打字系统。a、通过耳戴式PILTS与世界交流的示意图。b，张嘴和闭嘴时PILTS的电流。c，当说“Triboelectric”、“Sensor”和“Hello”时耳戴式传感器的电流输出。d，眼睛向上和向下时的 PILTS 电流。e、眼睛抬起一次、两次、三次时的PILTS电流。f，通过耳戴式PILTS实现的免提打字系统的框架图。g，基于 PILTS 的耳戴式免提打字系统的演示, 屏幕上的字是抬眼打出来的。h，免提打字系统演示中输入的信号和字母之间的对应关系。
图4 . OECT集成的耳戴式 PILTS 在眼动音乐播放中的应用 a，OECT 器件架构方案，显示源极 (S)、漏极 (D) 和栅极 (G)。b，传输曲线，c，基于 PEDOT:PSS 的 OECT 的输出曲线。d，OECT集成摩擦电传感器电路图。e，当 PILTS 受压时器件的电荷分布，OECT 中较少的阴离子从电解质推入通道。f，PILTS释放时器件的电荷分布，OECT中更多的阴离子从电解质被推入通道，导致通道电导更高。g，不同力下OECT的电流输出。h、OECT集成的耳戴式PILTS音乐播放界面及演示。歌曲切换和音量控制是通过简单的眼动触发来实现的。i，眼触发音乐播放系统的信号与眼动之间的对应关系。
图5. OECT集成额耳戴式 PILTS 在耳内脉搏监测中的应用 a，带有 PILTS 集成耳机的耳朵示意图。b，示意图说明耳动脉刺激引起的电荷分布变化，导致 OECT 通道电导的调节。c，通过 OECT 集成耳戴式 PILTS 进行 40 秒连续耳内脉搏监测。d，一个脉冲周期内电流信号的放大图，具有 3 个峰值（P1-P3）。e，心率，f，根据 c 计算的 FFT。
05【成果启示】
提出了一种不受人体约束的新型耳戴式摩擦电压传感器。摩擦电压传感器设计模仿人体皮肤的真皮-表皮互锁结构，具有微圆顶互锁结构，通过增加有效接触面积来增加输出。在摩擦材料 PVDF-HFP 中掺杂离子液体，通过在传感器运行期间在薄膜内建立双电层，进一步增强输出。摩擦电传感器无缝嵌入商用耳机的耳塞中，耳道压力的变化导致耳塞变形从而产生摩擦电信号。在此基础上，实现了不受约束的面部表情监控，例如眼睛和嘴巴的运动，并演示了仅基于眼睛运动的免提打字系统。OECT 与 PILTS 的集成无需庞大的信号处理电路，从而可以对电流输出信号进行高度放大。进一步演示了入耳式脉搏监测，这为不受束缚的可穿戴生理监测系统提供了途径。集成 OECT 的 PILTS 还具有信号保留功能，可以简化基于表达式的 HMI 应用程序的操作。这种耳戴式传感器显示出集成到当前商用耳机中并扩展到更全面的交互场景的潜力。尤其是这种耳戴式传感策略，体现了对身体残疾人士的人文关怀。基于耳戴式传感器的脉搏波监测为无创、无约束的可穿戴生理健康监测提供了一条新途径。
原文详情：He, Q., Zhou, Z., Chen, S., Tang, C. G., & Leong, W. L. (2023). Mechanoreceptor-inspired in-ear triboelectric sensor for unconstrained physiological monitoring and human–machine interaction. Nano Energy, 108900.
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