賓夕法尼亞州立大學領(lǐng)導的一個研究小組在尿布的吸收層之間集成了四個濕度傳感器，以創(chuàng)建一個“智能尿布”，能夠檢測濕度并提醒變化。來源：Huanyu “Larry” Cheng/Penn State

�。‰m然嬰兒有一種自然的機制來提醒他們的父母他們需要換尿布，但賓夕法尼亞州立大學的研究人員開發(fā)的一種新傳感器可以幫助日托，醫(yī)院和其他環(huán)境中的工作人員為他們的費用提供更直接的護理。

這種新型傳感器 - 如此便宜和簡單，可以用鉛筆手繪到用氯化鈉處理過的紙上 - 可以為可穿戴的自供電健康監(jiān)測器掃清道路，不僅可以用于“智能尿布”，還可以預測心臟驟停和肺炎等主要健康問題。

“我們的團隊一直專注于開發(fā)能夠捕獲人類健康重要信息的設備，”賓夕法尼亞州立大學工程科學與力學紀念副教授Huanyu “Larry” Cheng說。“我們的目標是及早預測疾病狀況和健康狀況，在為時已晚之前發(fā)現(xiàn)問題。

Cheng是發(fā)表在《納米快報》雜志上的一項新研究的主要作者，該研究描述了可靠的手繪電極傳感器的設計和制造過程。傳感器是用鉛筆創(chuàng)建的，畫在用氯化鈉溶液處理的紙上。水合傳感器對濕度變化高度敏感，可在 5.6% 至 90% 的寬相對濕度水平范圍內(nèi)提供準確的讀數(shù)。

程解釋說，對可穿戴傳感器的研究因其在醫(yī)療健康、災害預警和軍事防御方面的廣泛應用而獲得動力。他補充說，柔性濕度傳感器在醫(yī)療保健中變得越來越必要，用于呼吸監(jiān)測和皮膚濕度檢測等用途，但通過簡單、低成本的制造工藝實現(xiàn)高靈敏度和易于處置仍然具有挑戰(zhàn)性。

“我們想開發(fā)一些低成本的東西，人們會理解如何制造和使用 - 沒有比鉛筆和紙更容易獲得的東西，”中國河北工業(yè)大學人工智能學院教授李陽說�！澳悴恍枰�一些價值數(shù)百萬美元的設備來制造。您只需要能夠在處理過的紙上預先繪制的電極的線條內(nèi)繪制。它可以簡單快速地完成。

該設備利用紙張對濕度變化的自然反應方式，并使用鉛筆中的石墨與水分子和氯化鈉溶液相互作用。當水分子被紙吸收時，溶液被電離，電子開始流向鉛筆中的石墨，從而觸發(fā)傳感器，傳感器檢測環(huán)境中濕度的變化并向智能手機發(fā)送信號，智能手機顯示和記錄數(shù)據(jù)。

本質(zhì)上，在預處理線內(nèi)的預處理紙上繪制可創(chuàng)建小型化紙電路板。紙張可以用銅線和導電銀漿連接到計算機，作為環(huán)境濕度檢測器。對于無線應用，例如“智能尿布”和基于口罩的呼吸監(jiān)測，繪圖連接到一個微型鋰電池，該電池通過藍牙為智能手機的數(shù)據(jù)傳輸提供動力。

對于呼吸監(jiān)測器，研究小組將電極直接繪制在經(jīng)過溶液處理的面罩上。該傳感器很容易區(qū)分口呼吸和鼻子呼吸，并能夠?qū)θ�種呼吸狀態(tài)進行分類：深呼吸、規(guī)律呼吸和快速呼吸狀態(tài)。Cheng解釋說，收集的數(shù)據(jù)可用于檢測各種疾病的發(fā)作，例如呼吸停止和呼吸急促，并為智能物聯(lián)網(wǎng)和遠程醫(yī)療提供機會。

圖示顯示紙上鉛筆水合傳感器的制造和應用。示意圖顯示了（a）制造過程和（b）柔性鉛筆紙水合傳感器的響應機制，以及（c）在健康監(jiān)測，非接觸式開關(guān)和皮膚表征中的應用。學分：Huanyu “Larry” Cheng / Penn State

他補充說，呼吸頻率是一個基本的生命體征，研究表明它是各種病理狀況的早期指標，如心臟事件，肺炎和臨床惡化。它還可以指示情緒壓力源，如認知負荷、熱、冷、體力勞動和運動引起的疲勞。

與呼吸相比，人體皮膚的濕度變化較小，但研究人員仍然能夠使用鉛筆紙濕度傳感器檢測變化，即使在測試對象使用化妝水或鍛煉后也是如此。Cheng解釋說，皮膚是人體較多的器官，所以如果它沒有正確處理水分，這可能表明其他一些健康問題正在發(fā)生。

“不同類型的疾病狀況導致我們皮膚上的水分流失率不同，”他說�！案鶕�(jù)這些潛在條件，皮膚的功能會有所不同，我們將能夠標記并可能使用傳感器進行表征。

該團隊還在尿布的吸收層之間集成了四個濕度傳感器，以創(chuàng)建一個“智能尿布”，能夠檢測濕度并提醒變化。

“這個申請實際上是出于個人經(jīng)歷，”程說，他是兩個孩子的父親�！皼]有簡單的方法可以知道濕潤的程度，這些信息對父母來說可能真的很有價值。傳感器可以在短期內(nèi)提供數(shù)據(jù)，以提醒換尿布，也可以在長期內(nèi)顯示可以告知父母孩子整體健康狀況的模式。

Cheng解釋說，濕度傳感器的應用不僅僅是“智能尿布”和呼吸和汗水監(jiān)測。該團隊還將傳感器部署為非接觸式開關(guān)，它可以從手指的存在中感知空氣中的濕度變化，而無需手指接觸傳感器。該團隊使用非接觸式開關(guān)操作小型電梯，彈奏鍵盤并點亮LED陣列。

“手指上的原子不需要觸摸按鈕，它們只需要靠近表面來擴散水分子并觸發(fā)信號，”Cheng說�！爱斘覀兿氲轿覀儚拇罅餍兄袑W到的關(guān)于限制身體與共享表面接觸的必要性時，像這樣的傳感器可能是阻止?jié)撛谖廴镜闹匾�工具。�?br style="text-align: left; text-indent: 2em;"/>