"电子蜘蛛丝"传感器：利用环保技术实现生物电子学革命

"电子蜘蛛丝"传感器：利用环保技术实现生物电子学革命研究人员开发出了一种制造自适应生态友好型传感器的方法，这种传感器可以直接且不易察觉地印在各种生物表面上，无论是手指还是花瓣。资料来源：剑桥大学这种方法由剑桥大学的研究人员开发，其灵感来自蜘蛛丝，蜘蛛丝可以粘附在各种表面上。这些"蜘蛛丝"还结合了生物电子学，因此可以在"网"上添加不同的传感功能。先进的传感器技术这种纤维比人的头发至少小50倍，重量非常轻，研究人员直接将其打印在蒲公英蓬松的种子头上，而不会破坏其结构。印在人的皮肤上时，纤维传感器会紧贴皮肤并暴露出汗孔，因此佩戴者不会察觉到它们的存在。对印制在人体手指上的纤维进行的测试表明，它们可用作连续的健康监测器。这种低废物、低排放的生命结构增强方法可用于从医疗保健和虚拟现实到电子纺织品和环境监测等一系列领域。今天（5月24日），《自然电子学》杂志报道了这一研究成果。研究人员开发出了一种制造自适应生态友好型传感器的方法，这种传感器可以直接且不易察觉地印在各种生物表面上，无论是手指还是花瓣。这种比人类头发至少小50倍的纤维非常轻巧，研究人员可以直接将其打印到蒲公英蓬松的种子头上，而不会破坏其结构。资料来源：剑桥大学虽然人体皮肤非常敏感，但在皮肤上增加电子传感器可以从根本上改变我们与周围世界的互动方式。例如，直接印在皮肤上的传感器可用于持续健康监测、了解皮肤感觉，或在游戏或虚拟现实应用中改善"真实"感觉。可穿戴技术面临的挑战虽然嵌入传感器的可穿戴技术（如智能手表）已广泛普及，但这些设备可能会让人感到不舒服和碍眼。它们还会抑制皮肤的内在感觉。"如果你想准确地感知皮肤或树叶等生物表面上的任何东西，那么设备与表面之间的接口就至关重要，"领导这项研究的剑桥大学工程系教授黄艳艳（YanYanSheryHuang）说。"我们还希望生物电子器件对用户来说是完全不可感知的，这样它们就不会以任何方式干扰用户与世界的互动方式，而且我们希望它们是可持续的、低废料的。"研究人员开发出了一种制造自适应环保型传感器的方法，这种传感器可以直接且不易察觉地印在各种生物表面上，无论是手指还是花瓣。当印制在人体皮肤上时，纤维传感器会紧贴皮肤并暴露出汗孔，因此佩戴者不会察觉到它们的存在。对印制在人类手指上的纤维进行的测试表明，它们可用作连续健康监测器。资料来源：剑桥大学柔性电子产品的创新制造可穿戴传感器有多种方法，但这些方法都有缺点。例如，柔性电子元件通常印在塑料薄膜上，不允许气体或湿气通过，因此就像用保鲜膜包裹皮肤一样。其他研究人员最近开发出了可透气的柔性电子元件，就像人造皮肤一样，但这些元件仍然会干扰正常感觉，而且依赖于能源和废物密集型制造技术。三维打印是生物电子学的另一条潜在途径，因为它比其他生产方法浪费更少，但会产生较厚的装置，从而干扰正常行为。旋转电子纤维可制造出用户无法察觉的装置，但灵敏度和复杂程度不高，而且很难转移到相关物体上。现在，这个由剑桥大学领导的团队开发出了一种制造高性能生物电子器件的新方法，通过直接在各种生物表面（从指尖到蒲公英蓬松的种子头）上打印，这些电子器件可以定制。他们的技术灵感部分来源于蜘蛛，它们用最少的材料创造出适应环境的复杂而坚固的网状结构。研究人员用PEDOT:PSS（一种生物相容性导电聚合物）、透明质酸和聚氧化乙烯纺出了生物电子"蜘蛛丝"。这种高性能纤维是在室温下用水基溶液制成的，因此研究人员能够控制纤维的"可纺性"。随后，研究人员设计了一种轨道纺丝方法，使纤维能够变形为生物表面，甚至是指纹等微观结构。在人类手指和蒲公英种子头等表面对生物电子纤维进行的测试表明，这些纤维具有高质量的传感器性能，同时还不会被宿主察觉。论文第一作者AndyWang说："我们的纺丝方法可以让生物电子纤维在微观和宏观尺度上遵循不同形状的解剖结构，而无需任何图像识别。这为如何制造可持续电子器件和传感器开辟了一个完全不同的角度。这是一种更容易制造大面积传感器的方法。"未来方向和商业化大多数高分辨率传感器都是在工业洁净室中制造的，需要在多步骤、高能耗的制造过程中使用有毒化学品。而剑桥大学开发的传感器可以在任何地方制造，所耗费的能源仅为普通传感器的一小部分。生物电子纤维可以修复，在使用寿命结束后只需简单清洗即可，产生的废料不到一毫克：相比之下，一般一次洗衣产生的纤维废料在600至1500毫克之间。"利用我们简单的制造技术，我们几乎可以把传感器放在任何地方，并在需要的时候随时随地对它们进行维修，而不需要大型印刷机或集中的制造设施，"Huang说。"这些传感器可以在需要的地方按需制造，并且产生的废物和排放物极少。"研究人员表示，他们的设备可应用于健康监测、虚拟现实、精准农业和环境监测等领域。未来，还可以将其他功能材料融入到这种纤维打印方法中，建立集成纤维传感器，以增强生命系统的显示、计算和能量转换功能。在剑桥大学商业化部门"剑桥企业"的支持下，这项研究正在实现商业化。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1432214.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1432214.htm

新的石墨烯传感器可实现更好的脑机界面

新的石墨烯传感器可实现更好的脑机界面一个BMI通常由三个模块组成：一个外部感官刺激、一个传感接口和一个处理神经信号的单元。在这三个模块中，传感接口至关重要，因为它能检测到大脑最外层--大脑皮层产生的电活动，而大脑皮层负责更高层次的过程，包括运动功能。但视觉皮层才是大脑皮层中接收和处理从眼睛发出的信息的部分，它是依赖视觉刺激的BMI的关键。视觉皮层位于大脑的最后面的枕叶。脑电波是通过可植入或可穿戴的传感器获取的，如脑电图（EEG）电极。在后脑勺使用EEG电极和其他非侵入性生物传感器的问题是，这是一个通常被头发覆盖的区域。湿式传感器依靠在头皮和头发上使用导电凝胶，但这可能会导致传感器在个人行动时移动。干式传感器可以作为一种替代方法，但它们也有挑战；它们的导电性比湿式传感器差，而且，鉴于头部的圆形，它们可能会遇到保持充分接触的困难。悉尼科技大学（UTS）的研究人员通过开发一种含有石墨烯的干式生物传感器来解决这些问题，石墨烯是一种一原子厚的碳原子层，以六边形晶格排列，比人的头发薄1000倍，比钢强200倍。鉴于石墨烯的薄度和高导电性，它是创建干式生物传感器的最佳材料。它还能抗腐蚀和抗汗水的影响，使其非常适合在头部使用。研究人员发现，将石墨烯与硅结合在一起产生了一种更坚固的干式传感器。他们开发的传感器上的石墨烯层的厚度不到一纳米。该研究的通讯作者FrancescaIacopi说："通过使用尖端的石墨烯材料，结合硅，我们能够克服腐蚀、耐久性和皮肤接触阻力等问题，开发出可穿戴的干式传感器。"研究人员对不同的传感器图案进行了实验，包括正方形、六边形、柱子和圆点，并发现六边形图案的传感器产生了最低的皮肤阻抗。然后他们用BMI测试了他们的新传感器。六角形图案的传感器被放置在后脑勺的头皮上，以检测来自视觉皮层的脑电波，用户戴上显示白色方块的增强现实（AR）镜片。通过专注于一个特定的方块，产生的脑电波被生物传感器接收到。然后一个解码器将该信号翻译成命令。"我们的技术可以在两秒钟内发出至少九个指令，"该研究的共同作者Chin-TengLin说。"这意味着我们有九种不同的命令，操作者可以在该时间段内从这九种命令中选择一种。"澳大利亚陆军士兵对石墨烯传感器BMI进行了现实世界的测试，用它来控制一只四条腿的机器人狗。该设备允许免提指挥机器人，准确率高达94%。Iacopi说："这种免提、无声技术在实验室环境之外，随时随地都可以使用。它使控制台、键盘、触摸屏和手势识别等界面变得多余。"然而，研究人员不认为这是他们设计的最终迭代。还需要进一步的研究和测试，以便在总的可用石墨烯面积、适应头发存在的能力以及保持传感器与头皮接触的能力之间取得平衡。但这是朝着开发技术迈出的有希望的一步，该技术可能对残疾人操作轮椅或假肢大有好处，并在先进制造业、国防和航空航天领域有更广泛的应用。该研究发表在ACS应用纳米材料杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1350637.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1350637.htm

研究人员利用量子纠缠概念将导航传感器的精度上升到一个新的高度

研究人员利用量子纠缠概念将导航传感器的精度上升到一个新的高度量子纠缠是量子力学中的一种现象，两个或更多的粒子可以成为相关的，一个粒子的状态取决于另一个粒子的状态，即使相隔很远。这意味着，一个粒子的状态变化可以瞬间影响另一个粒子的状态，而不考虑它们之间的距离。这种看似矛盾和反直觉的行为已在许多实验中得到证实，并被认为是量子力学最迷人和神秘的方面之一。密歇根大学电气和计算机工程系副教授、该研究的共同通讯作者ZheshenZhang说："通过利用纠缠，我们既提高了测量灵敏度，也提高了我们进行测量的速度。"实验是在亚利桑那大学完成的。光学机械传感器测量干扰机械传感装置的力，而机械传感装置会响应地移动。然后用光波测量该运动。在这个实验中，传感器是膜，它的作用就像鼓头，在经历了一个推力之后会振动。光机械传感器可以作为加速度计使用，在没有GPS卫星的星球上可以用于惯性导航，或者在一栋大楼内，当一个人在不同楼层导航时，也可以使用。量子纠缠可以使光机械传感器比目前使用的惯性传感器更精确。它还可以使光机械传感器寻找非常微妙的力量，如识别暗物质的存在。暗物质是不可见的物质，据信它在宇宙中的质量是我们用光所能感知的质量的五倍。它将用引力拉扯传感器。以下是纠缠如何改善光机械传感器的原理：光学机械传感器依赖于两束同步的激光。其中一束从传感器中反射出来，而传感器中的任何运动都会改变光在到达检测器的途中所走的距离。当第二波与第一波重叠时，这种移动距离的差异就会显示出来。如果传感器是静止的，这两个波是完全一致的。但是，如果传感器在移动，它们会产生一个干扰模式，因为它们的波峰和波谷在某些地方会相互抵消。这种模式显示了传感器振动的大小和速度。通常在干涉测量系统中，光走得越远，系统就越精确。地球上最敏感的干涉测量系统--激光干涉仪引力波观测站可以将光送入8公里的旅程，但这种规模的设备这是不可能装入智能手机的。为了使小型化光学机械传感器达到高精度，Zhang的团队探索了量子纠缠。他们没有把光分成一次，让它在一个传感器和一个镜子上反弹，而是把每束光分成第二次，让光在两个传感器和两个镜子上反弹。亚利桑那大学光学科学助理教授达尔齐尔-威尔逊与他的博士生阿曼-阿格拉瓦和克里斯蒂安-普鲁查一起建造了这些膜设备。这些膜只有100纳米或0.0001毫米厚，可以对非常小的力做出反应。增加一倍的传感器可以提高精确度，因为膜的振动应该是相互同步的，但纠缠增加了额外的协调水平。研究小组通过"挤压"激光来创造纠缠。在量子力学物体中，例如构成光的光子，对一个粒子的位置和动量的了解程度有一个基本限制。因为光子也是波，这就转化为波的相位（它在振荡中的位置）和振幅（它携带多少能量）。"这种挤压重新分配了不确定性，因此被挤压的部分可以更精确地知道，而反挤压的部分则带有更多的不确定性。我们挤压了相位，因为那是我们的测量需要知道的，"亚利桑那大学Zhang实验室刚毕业的博士生、该论文的共同通讯作者YiXia说。在挤压的光线中，光子彼此之间的关系更加密切，研究人员将光子通过分光器时发生的情况与汽车在高速公路上走到岔路口形成对比。"你有三辆车走一条路，三辆车走另一条路。但在量子叠加中，每辆车都是双向行驶的。现在左边的车与右边的车纠缠在一起，"他说。因为两个纠缠的光束的波动是相关的，它们的相位测量的不确定性是相关的。因此，通过一些数学技巧，该团队能够得到比两个未纠缠的光束更精确的测量结果，而且他们可以以60%的速度完成。更重要的是，精度和速度有望与传感器的数量成比例上升。根据设想，纠缠增强型传感器阵列将比现有传感技术提供数量级的性能增益，以实现对目前物理模型以外的粒子的检测，为一个尚未被观察到的新世界打开大门。该团队的下一步是将该系统小型化。目前，他们已经可以把挤压光源放在一个边长只有半厘米的芯片上。他们希望在一两年内拥有一个带有挤压光源、分束器、波导和惯性传感器的原型芯片。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1357957.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1357957.htm

大阪大学研究人员开发出柔韧可弯曲的光学传感器 揉成一团也能用

大阪大学研究人员开发出柔韧可弯曲的光学传感器揉成一团也能用在最近发表于《先进材料》（AdvancedMaterials）上的一项研究中，大阪大学科学与工业研究所（SANKEN）的研究人员在一种超薄柔性薄片上开发出了一种光学传感器，这种传感器可以弯曲而不会断裂。事实上，这种传感器非常灵活，即使被揉成一团也能正常工作。在照相机中，光学传感器是感应穿过镜头的光线的装置，类似于人眼的视网膜。传感器设计的创新"传统的光学传感器是使用无机半导体和铁电材料制造的，"该研究的主要作者ReiKawabata说。"这使得传感器变得僵硬，无法弯曲。为了避免这个问题，我们研究了另一种探测光的方法。"与传统的光传感器不同，研究人员使用的是印在超薄聚合物基底（小于5微米）上的微小碳纳米管光电探测器阵列。当暴露在光线下时，碳纳米管会发热，形成热梯度，然后产生电压信号。在印刷过程中掺入化学载体可进一步提高纳米管的灵敏度。利用这些纳米管，可以测量可见光以及与热或分子有关的红外光。用于宽带红外热分析的集成有机电路的超灵活无线成像仪利用片状光学传感器对光、热和分子进行探测和成像。无线技术集成除了碳纳米管传感器，聚合物基板上还印有有机晶体管，将电压信号组织成图像信号。要读取这种信号，计算机不需要通过电线与传感器进行物理连接。取而代之的是一个无线蓝牙模块。该研究的资深作者荒木祯平说："有了这套无线系统，我们的成像仪就能附着在柔软和弯曲的物体上，对其表面或内部进行分析，而不会损坏它们。"集成了碳纳米管光电探测器和有机晶体管的片式光学传感器研究人员制作了薄片型光学传感器的原型，并测试了其感应人体手指或电线等物体的热量以及流经管道的葡萄糖的能力。他们发现，这种光学传感器在很宽的波长范围内都具有很高的灵敏度。此外，在室温和大气条件下，测试表明它具有很高的弯曲耐久性，即使被揉皱也能正常工作。这种无线测量系统和薄片型光学传感器的独特优势将为执行许多任务（如无需采样即可评估液体质量）带来更简单的新方法。研究人员认为，它在无损成像、可穿戴设备和软机器人等许多应用领域都大有可为。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1419657.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1419657.htm

"哨兵植物"可通过叶片中的压力传感器拯救作物

"哨兵植物"可通过叶片中的压力传感器拯救作物经过特殊标记的"哨兵植物"很快就能对作物问题（如虫害或细菌感染）发出预警。这些植物将利用两个"发光"传感器，对叶片中与压力有关的化合物做出反应。最常用的两种信号分子是过氧化氢和水杨酸。四年前，麻省理工学院的迈克尔-斯特拉诺教授及其同事创造了一种叶片集成传感器，它能在过氧化氢存在时发出荧光。这种"传感器"实际上由许多单壁碳纳米管组成，每根碳纳米管都包裹着一条被称为寡聚体的合成DNA链。当把含有这些"电晕相分子识别"（CoPhMoRe）纳米传感器的载体溶液涂抹在叶片背面时，这些微小的物体就会穿过叶片表面被称为气孔的微小开口。纳米传感器最终进入叶肉中层，叶肉中层是叶片的内层，大部分光合作用都在叶肉中进行。当该层随后产生过氧化氢时，过氧化氢会与纳米传感器结合，使其发出荧光。这种荧光很容易用红外摄像机检测到。虽然过氧化氢的产生本身就能表明某些植物胁迫因素的存在，但如果能同时检测到水杨酸，那就更有用了。有鉴于此，斯特拉诺的团队改变了该技术中使用的低聚物结构，创造出了第二种CoPhMoRe纳米传感器，这种传感器在与水杨酸而不是过氧化氢结合时会发出荧光。在研究中，用水杨酸传感纳米传感器（蓝色）、过氧化氢传感纳米传感器（红色，右图）和惰性对照纳米传感器（绿色）处理单个植物叶片的不同部分。在对白菜植物进行的实验室测试中，将含有两种不同类型纳米传感器的溶液涂抹在同一片叶子的不同部位。然后让这些植物承受强光、高温、细菌感染和昆虫叮咬等压力。研究发现，前三种压力会在几分钟内产生过氧化氢，然后在两小时内的某个时间段产生水杨酸。不过，水杨酸出现的确切时间却因压力源的类型而有一致的差异。这意味着，如果用红外摄像机对经过CoPhMoRe增强的植物进行持续监测，农民就可以根据植物叶片从开始产生过氧化氢到随后产生水杨酸之间的时间间隔，判断植物是否处于光、热或细菌胁迫的早期阶段。如果只产生过氧化氢，那就意味着昆虫叮咬是罪魁祸首。当然，如果两种信号分子都没有产生，那就意味着植物没有问题。"这两个传感器结合在一起，可以准确地告诉用户植物正在承受什么样的压力。"Strano教授说："在植物内部，你可以实时看到化学变化的起伏，每一种变化都是不同胁迫的指纹。我们正在将这项技术应用到诊断中，它能比任何其他传感器更快地为农民提供实时信息，足以让他们进行干预。"有关这项研究的论文最近发表在《自然通讯》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1428270.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1428270.htm

可穿戴式无创传感器可通过监测汗液确定是否有炎症迹象

可穿戴式无创传感器可通过监测汗液确定是否有炎症迹象虽然急性炎症反应是人体抵抗感染和加速愈合的自然方式，但长期或慢性炎症可能会导致不可逆的组织损伤。而能够快速、轻松地检测炎症是治疗的关键。测量血液中C反应蛋白(CRP)的水平通常用作炎症的生物标志物，但需要复杂的实验室设备和人员来分析血液样本。现在，加州理工学院的研究人员开发了一种新型可穿戴传感器，称为InflaStat，通过测量人体汗液中的CRP水平来无线、无创地监测炎症。研究人员在开始制造他们的第一个汗液分析传感器之前必须克服一些障碍。主要难题是CRP比其他分子更难检测，它在血液中的浓度比其他生物标志物低得多，而且它的分子更大，这意味着将它们从血液中分泌到汗液中更加困难。“这些是以前阻止人们进行可穿戴CRP传感的主要问题，”该研究的通讯作者高伟说。“我们需要高灵敏度来自动监测皮肤上极低浓度的CRP。”InflaStat由激光雕刻的石墨烯制成，石墨烯含有微小的孔，可形成较大的表面积。这些孔含有与CRP结合的抗体和称为氧化还原分子的特殊分子，能够在某些条件下产生小电流。传感器结构中融入了金纳米颗粒，每个纳米颗粒都携带一组独立的CRP检测抗体。当佩戴者汗液中的CRP分子进入传感器时，它们会附着在检测器抗体和石墨烯孔中的抗体上。然后纳米颗粒附着在石墨烯上并触发氧化还原分子产生电流，该电流由附着在传感器上的电子元件读取。由于每个金纳米粒子都含有许多检测抗体，因此信号（非常小）被放大得远远超过单个CRP分子产生的信号。研究人员在健康参与者、慢性阻塞性肺病患者和从新冠病毒感染中康复的参与者身上测试了InflaStat。他们发现该传感器佩戴舒适，并且可以无创、无线地获取炎症生物标志物信息。数据实时显示在定制的智能手机应用程序上。正如预期的那样，慢性阻塞性肺病患者和新冠病毒感染后患者的CRP水平显着高于健康参与者。研究人员发现，该传感器可以准确检测汗液中与血液水平相关的CRP水平。研究人员表示，他们的研究结果表明，他们的传感器可用于无创、家庭监测炎症性肠病或慢性阻塞性肺病等慢性疾病。更重要的是，他们表示它可以适用于测试其他痕量水平和疾病相关的生物标志物。“这是一个通用平台，可以让我们监测体液中极低水平的分子，”高说。“我们希望扩展这个平台来监测其他临床相关的蛋白质和激素分子。我们还想看看这是否可以用于慢性病管理。炎症对许多患者来说意味着风险。如果能够在家对他们进行监测，就可以识别他们的风险，并及时给予治疗。”该研究发表在《自然生物医学工程》杂志上，下面由加州理工学院制作的视频展示了传感器如何检测CRP。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1366975.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1366975.htm