日本東京大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科教授染谷隆夫領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開(kāi)發(fā)出了可直接貼在身上測(cè)量體征信息的薄膜狀傳感器。設(shè)想用于保健、醫(yī)療、體育、社會(huì)福利等領(lǐng)域，還計(jì)劃嵌入體內(nèi)使用。

東京大學(xué)開(kāi)發(fā)出了人體舒適性高的粘附性凝膠，可將在超薄高分子膜上制成的體征傳感器直接貼在皮膚表面。即使監(jiān)測(cè)對(duì)象在不停活動(dòng)，傳感器也不會(huì)發(fā)生位移、脫落及破損，可以穩(wěn)定地監(jiān)測(cè)體征信息。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器可以精確測(cè)量物理量(應(yīng)變)和生理電信號(hào)(心電)。

“粘合劑”是關(guān)鍵

染谷領(lǐng)導(dǎo)的研究小組以前就利用有機(jī)晶體管技術(shù)開(kāi)發(fā)出了設(shè)想貼在身上使用的質(zhì)輕柔軟的薄膜傳感器。為了將這種傳感器貼在身上使用，這次開(kāi)發(fā)出了“粘合劑”材料。

設(shè)計(jì)時(shí)重視了以下幾個(gè)方面：只用人體舒適性好的材料制造;對(duì)人體組織有粘附性;容易加工的形狀(制作布線圖案)。通過(guò)在聚輪烷凝膠中摻入粘合劑等使用的聚乙烯醇并添加光交聯(lián)劑，這些性質(zhì)都得以實(shí)現(xiàn)。

制造傳感器的步驟如下：首先在僅1.4μm厚的超薄PET薄膜上呈格狀配置有機(jī)晶體管以及測(cè)量電信號(hào)用的電極和布線。傳感器面積為4.8cm×4.8cm，間隔4mm配置144(12×12)個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

其次，在整個(gè)薄膜上旋涂這次開(kāi)發(fā)的凝膠材料，利用曝光裝置只對(duì)電極部分照射激光。這時(shí)，只有涂在電極上的部分變成凝膠，其他部分的凝膠材料溶于水，脫落下來(lái)。在與監(jiān)測(cè)對(duì)象保持接觸所需要的電極上“選擇性涂布‘水性漿糊''''”(染谷)，就可以制成具有粘附性的薄膜狀傳感器。

監(jiān)測(cè)大鼠的心電

這次傳感器最大的特點(diǎn)是可以隨著監(jiān)測(cè)對(duì)象的活動(dòng)測(cè)量體征信息。即使外部施加應(yīng)力等，超薄薄膜也會(huì)通過(guò)起皺來(lái)吸收應(yīng)力，電極通過(guò)粘附性凝膠與監(jiān)測(cè)對(duì)象保持良好的接觸。

實(shí)際將試制的傳感器貼到膨脹氣球的表面，抽出空氣并施加100%的壓縮應(yīng)力，傳感器并未出現(xiàn)脫落和電氣特性改變。原來(lái)質(zhì)地比較硬的傳感器受人體活動(dòng)干擾，無(wú)法準(zhǔn)確獲取體征信息，而這次的傳感器可以避免這一問(wèn)題。

染谷等人將開(kāi)發(fā)的傳感器貼在大鼠心臟表面，進(jìn)行了監(jiān)測(cè)心電的實(shí)驗(yàn)。使用普通金屬電極的傳感器將接觸位置的位移作為噪聲重疊在心電波形上。而這次開(kāi)發(fā)的使用粘附性凝膠的傳感器可以穩(wěn)定且準(zhǔn)確地測(cè)量心電，“還能夠獲取心電波形中典型的微小結(jié)構(gòu)”。通過(guò)MRI還發(fā)現(xiàn)：貼在大鼠心臟表面的傳感器在 24個(gè)多小時(shí)內(nèi)未發(fā)生位移。凝膠材料中的聚乙烯醇隨著時(shí)間流逝會(huì)溶化失去粘附性，因此監(jiān)測(cè)完以后可輕松揭下來(lái)。

將傳感器貼在心臟表面進(jìn)行多點(diǎn)監(jiān)測(cè)的方法，可以監(jiān)測(cè)到從體外很難看到的“心臟電信號(hào)分布”(染谷)。研發(fā)小組還成功監(jiān)測(cè)到了堵塞冠動(dòng)脈引起心絞痛的大鼠心臟信號(hào)的傳播。

還可監(jiān)測(cè)手指的活動(dòng)

此外，研究小組按照跟心電傳感器一樣的開(kāi)發(fā)要領(lǐng)，開(kāi)發(fā)出了根據(jù)布線的電阻值變化來(lái)測(cè)量應(yīng)變量的傳感器。貼在人的手指表面，成功監(jiān)測(cè)了手指的活動(dòng)。據(jù)研究小組介紹，這次反復(fù)施加20%左右的應(yīng)力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，結(jié)果都測(cè)到了應(yīng)變量，傳感器沒(méi)有絲毫劣化。原來(lái)的應(yīng)變傳感器“都在靈敏度等方面展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)，但實(shí)際上真正需要的是(這次開(kāi)發(fā)的這種)不會(huì)損壞的應(yīng)變傳感器”(染谷)。

這次開(kāi)發(fā)的傳感器在實(shí)用化方面還有三大課題：(1)進(jìn)一步提高人體舒適性，不能引發(fā)身體炎癥，(2)在有活動(dòng)和溫度的人體環(huán)境下，提高可靠性和穩(wěn)定性，(3)開(kāi)發(fā)供電及無(wú)線通信等實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化的周邊技術(shù)。

本次成果是通過(guò)日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)(JST)的戰(zhàn)略性創(chuàng)造研究推進(jìn)業(yè)務(wù)統(tǒng)括實(shí)施型研究(ERATO)“人體親和電子項(xiàng)目”獲得的，已于 2014年12月19日(英國(guó)時(shí)間)在英國(guó)科學(xué)雜志《Nature Communications》上發(fā)表。論文題目是《A strain-absorbing design for tissue-machine interfaces using a tunable adhesive gel》。日經(jīng)技術(shù)在線