僅在美國，每年就有大約 100,000 起交通事故是由困倦或疲勞等人為因素造成的。汽車生物傳感器可用于通過提供健康問題的早期檢測、阻止疲勞相關(guān)的事故以及評估壓力和情緒狀態(tài)來幫助保持安全駕駛。現(xiàn)在已經(jīng)探索了各種方法來測量汽車環(huán)境中疲勞和警覺性的生理標(biāo)志物，包括電生理學(xué)、慣性行為相關(guān)和視覺等方式。然而，這些方法難以在動力學(xué)環(huán)境中可靠且不引人注目地捕獲生理標(biāo)志物，例如在發(fā)生大量振動的汽車或航空應(yīng)用中。電極已被整合到方向盤表面，以獲得注意力不集中的電生理標(biāo)志物，但該方法需要穩(wěn)定的皮膚接觸，這很難實(shí)現(xiàn)。或者，在某些情況下使用攝像頭的監(jiān)控方法很有前途，但它們依賴于環(huán)境照明，會產(chǎn)生潛在的隱私問題。
無線傳感器有可能在車輛環(huán)境中提供不顯眼的疲勞和注意力檢測。它們對環(huán)境噪聲（例如可變的照明條件）不太敏感，并且可以保護(hù)用戶隱私。然而，由于運(yùn)動偽影以及封閉機(jī)艙環(huán)境中多徑反射產(chǎn)生的信號干擾，在包括振動、隨機(jī)身體運(yùn)動和多名乘客在內(nèi)的動力學(xué)環(huán)境中獲取高質(zhì)量的生理參數(shù)仍然比較困難。近日，新加坡國立大學(xué)何思遠(yuǎn)教授與清華大學(xué)深圳國際研究生院田曦團(tuán)隊(duì)合作報(bào)道了一種超材料生物傳感器。它可以在動力學(xué)環(huán)境中捕獲心肺信號，而無需與身體直接接觸。該生物傳感器使用數(shù)字刺繡制成，可以與安全帶集成，并可以通過無線信號與身體之間的近場交互來檢測生理運(yùn)動。

使用導(dǎo)電線用計(jì)算機(jī)輔助數(shù)字刺繡制造生物傳感器，這種柔軟的紡織傳感器，可以貼合身體，適應(yīng)用戶活動并與現(xiàn)有安全帶集成。生物傳感器可以連續(xù)監(jiān)測安全帶上各個位置的心率 （HR） 和呼吸，包括肩帶和腰帶，并且對不同的服裝材料和厚度都可以保持性能。在航空公司機(jī)艙模擬器中測試了刺繡超材料系統(tǒng)對一系列人體活動的檢測能力，并驗(yàn)證了其睡眠-覺醒階段鑒別的能力。生物傳感器還可以可靠地提取呼吸和心跳信號，并在具有挑戰(zhàn)性的動力學(xué)環(huán)境中保持準(zhǔn)確性。

生物傳感器的設(shè)計(jì)：為了克服相對運(yùn)動導(dǎo)致的信號減弱現(xiàn)象，利用與身體機(jī)械耦合的線束作為基材，集成一種超材料，該超材料可以通過無線信號與身體之間的近場交互實(shí)現(xiàn)對生理運(yùn)動的高度靈敏檢測。選擇導(dǎo)電線的數(shù)字刺繡作為制造策略，因?yàn)樗軌蛟趲缀跞魏维F(xiàn)有的織物基材上精確產(chǎn)生復(fù)雜的周期性圖案。這種超材料通過低填充因子并支持小波長表面波的傳，由空心梳狀形狀組成，該結(jié)構(gòu)將無線信號傳播為欺騙表面等離子體 （SSP） 極化激元，其波長壓縮到自由空間波長的四分之一左右。這些高度受限的近場傳感模式提供了針對潛在干擾的魯棒性，例如駕駛員姿勢變化和多乘客雜波。色散關(guān)系分析用于設(shè)計(jì)晶胞的幾何參數(shù)，以獲得 2.4–2.5 GHz 工作頻帶內(nèi)所需的表面模式特性。當(dāng)填充因子 q 從 8 mm 降低到 1 mm 時，2.4 GHz 時的波數(shù)β從 0.48π 增加到 0.65π rad cm^?1，表示更強(qiáng)的場限制和波長壓縮。此外，可以調(diào)整填充因子以支持 0.49π 至 0.59π rad cm^?1 的表面模式在不同的紡織基材上應(yīng)用。
為了實(shí)現(xiàn)從超材料結(jié)構(gòu)到 50 Ω共面波導(dǎo) （CPW） 的高效波矢轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)了一個與傳統(tǒng)微波連接器兼容的過渡截面。由梯度波紋空心帶和擴(kuò)口接地組成的阻抗匹配過渡，它將傳輸效率提高了 4 dB 以上，并降低了超材料波導(dǎo)和 CPW 之間的轉(zhuǎn)換損耗。另一方面，超材料生物傳感器的傳輸損耗由紡織品電導(dǎo)率決定，這可以通過填充因子的變化來適應(yīng)。為了確保與刺繡生產(chǎn)的兼容性并保持亞波長壓縮，選擇 q = 2 mm 以將傳輸損耗保持在 0.25 dB cm?1。超材料生物傳感器在計(jì)算體模型上的全波模擬說明了生物傳感器表面的波長壓縮和能量限制。這些特性可以增強(qiáng)與身體的無線交互，利用心肺活動引起的組織特性變化來更有效地調(diào)節(jié)傳播階段，尤其是當(dāng)生物傳感器集成到位于身體前方的安全帶中時。傳輸信號以表面波的形式沿超材料結(jié)構(gòu)傳播，并將組織邊界和介電特性的變化轉(zhuǎn)化為相位調(diào)制。

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