山东大学李阳、济南大学牛闳森等《AFM》：一种基于变色龙启发的“一石二鸟”策略构建的集成压力传感与可视化混合可穿戴设备

摘要：随着对人类身体健康状况的日益重视以及柔性电子和先进加工技术的进步，可穿戴设备正在蓬勃发展。这种设备能够监测来自人体的各种物理、生理和电化学信号。事实上，新冠肺炎过后，在家自我诊断的需求变得更加突出，个人便携式监测配件在远程筛查和治疗中变得至关重要。其中，压力传

随着对人类身体健康状况的日益重视以及柔性电子和先进加工技术的进步，可穿戴设备正在蓬勃发展。这种设备能够监测来自人体的各种物理、生理和电化学信号。事实上，新冠肺炎过后，在家自我诊断的需求变得更加突出，个人便携式监测配件在远程筛查和治疗中变得至关重要。其中，压力传感的作用不容忽视，它可以检测身体运动、生命体征和深层组织，为精准医疗、个性化疾病诊断和运动表现提升提供关键帮助。然而，现阶段可穿戴压力传感设备的有线连接操作损害了系统的自主性和连续实时监控能力，进一步限制了用户的便携性和移动性。因此，将可穿戴压力传感器开发成一个集成系统可以实现无线信号采集，以满足不同需求下的信号处理和传输。

在漫长的自然岁月里，各种动物经历了不断的进化，逐渐发展出适合生存的生理功能和行为模式。作为一种有趣的陆地生物，变色龙具有复杂的压力感知能力，并且能够通过感知外部环境的变化来改变皮肤的颜色。受变色龙“一石二鸟”能力的启发，并参考变色龙的行为模式进行器件设计，山东大学李阳团队提出了一种集成压力传感和视觉显示的设备。该设备中的压力传感单元和电致变色单元（ECD）都是通过光固化工艺制造的，这简化了结构并提高了集成度。此外，压力传感单元内使用了离子凝胶和微金字塔来增强电容响应，而变色单元有效地复用了ECD，其具有电极层和变色层的双重功能，简化了传统的多层结构。基于光固化工艺的制备的可穿戴混合设备，其压力传感单元的灵敏度为358.1 kPa⁻¹，响应/恢复时间为16.8/28.0 ms，变色单元的着色/漂白时间为4.2/4.8 s。基于所提出的混合设备的独特特性，进一步地探索了三种具体的应用场景。首先，基于ECD的设计，将交替电压作为开关信号，控制快速响应（QR）码的着色和漂白，实现信息的双重加密。然后，所提出的混合设备能够监测人体生理信号，包括桡骨、颈动脉脉搏信号的峰值和几个特殊的关节屈曲角度信号，其完全透明的设计便于在生理监测过程中观察皮肤状态。最后，作为这项工作的最大亮点，开发了一种智能无线腕带系统，该系统由混合设备、片上系统（SoC）和定制的腕带组成，用于现场测量、可视化和远程无线监测人体生理参数。该系统使用手机终端和ECD作为显示器，直观地显示不同的运动状态，从而实现生理信号的无线测量和显示，为个人健康监测提供了方便直观的解决方案。相关工作以“A “One-Stone-Two-Birds” Strategy Constructed Hybrid Wearable Device Based on Chameleon-Inspired Integrated Pressure Sensing and Visualization”为题发表在国际期刊《Advanced Functional Materials》上。济南大学硕士研究生孙涛为第一作者，济南大学岳文静副教授、牛闳森副教授和山东大学李阳教授、孙涛教授为共同通讯作者。