DOI:10.1126/science.abj9912
生物電子設備需要持續監測患者的機械和電生理信號。然而，目前所採集的信號總是包含患者的其他運動(如大約30赫茲以下的行走和呼吸)造成的偽影，當前去除偽影的方法是使用帶通濾波器的信號處理，但這可能會導致嚴重的信號丟失。
本文提出了一種非傳統的帶通濾波材料：粘彈性明膠-殼聚糖水凝膠阻尼器，其靈感是來自於蜘蛛的粘彈性角質墊，這個角質墊能夠選擇性地去除動態機械噪聲的偽影。研究表明，水凝膠表現出與頻率相關的相變，這能夠抑制低頻噪聲的橡膠狀態和傳輸所需高頻信號的玻璃狀態。作為一種可調整的濾波器，這種阻尼器能夠從患者那裡獲取高質量的電信號，同時最大限度地減少生物電子設備的信號處理部分的體積。
▲圖 1. 蜘蛛角質墊中的選擇性噪聲阻尼和生物啟發的明膠水凝膠阻尼器。
1. 蜘蛛可以使用它的網來監測獵物、敵人和配偶產生的微小振動信號，即使是在嘈雜(颳風或下雨)的條件下也是如此，這些雜波信號通常是低頻的(約30赫茲) (圖1A)。蜘蛛可以使用位于振動感受器下面的角質墊的選擇性振動頻率衰減器官將目標振動信號與機械噪聲分開。由於甲殼素和蛋白質鏈之間的氫鍵等粘性鍵，角質層襯墊具有粘彈性性質，並且襯墊材料相在近30赫茲的施加頻率上從橡膠狀態轉變為玻璃狀態(圖1B)。這種相位轉換允許角質墊選擇地傳輸目標的振動信號(高於30赫茲)並過濾低頻噪聲(低於30赫茲)。2. 本文製造了殼聚糖和明膠相互滲透的水凝膠阻尼器，水凝膠的動態力學性能類似於蜘蛛的角質墊，其彈性係數隨着頻率的增加而增加(圖1C)。這種材料能夠在過渡頻率以下實現粘性阻尼。在過渡頻率以上，tanδ值隨頻率的增加而減小，而彈性模量隨頻率的增加而增大，因此振動是彈性傳遞的。3. 由於其低頻衰減，水凝膠可用於消除30赫茲以下的動態噪聲(圖1D)。本文假設的選擇性減振的關鍵機制是基於粘彈性材料的弛豫時間，進而確定材料的轉變頻率(圖1E)。
▲圖 2. 通過調整弛豫時間（對應於轉換頻率）來移動阻尼區域。1. 通過對水凝膠阻尼器的鬆弛時間進行設計，可以根據用戶的需要改變阻尼器的衰減曲線和發射頻率。當聚合鏈具有較高的擴散速度時，它們有更多的機會恢復其應力，從而在給定的機械刺激下產生較短的鬆弛時間(圖2A)。鬆弛時間由明膠的溫度和分子量決定，它們影響鏈的擴散速度(圖2B)。2. 水分含量可以是影響粘彈性的因素之一，但為了穩定性，本文在優化的基礎上將濃度固定在6wt%，弛豫時間從1.11 s變化到小於0.0193 s(圖2B)。3. 另一方面，用直徑3.2 mm的不鏽鋼球在水凝膠基板上進行的落球測試表明，在19℃時機械能的彈性傳輸和反射的De數≫1，而機械能的衰減發生在溫度提高到45℃後，其中De是≪1(圖2C)。4. 粘彈性特性可以通過調節溫度來控制，例如我們能夠通過將溫度從27℃改變到45℃來將阻尼頻率從0.89赫茲改變到51.8赫茲(圖2D)，這樣一來就可以根據用戶的要求來調節阻尼頻率。
▲圖 3. 明膠-殼聚糖水凝膠阻尼器與其他阻尼材料的阻尼性能。1. 本文比較了商用聚合物阻尼器-D3O、Alphagel(Theta 7)、硅橡膠(PDMS)和剪切增稠玉米澱粉懸浮液的減震性能，這些材料都是用於減震的粘彈性剪切增稠材料。當在不同頻率下測量每個阻尼器的單位體積吸收能量以研究能量吸收能力時(圖3A)，水凝膠阻尼器在27℃和45℃下的峰值阻尼能至少是性能第二好的阻尼器材料的6.7倍(27℃時為113.04mJ/mm3，45℃時為108.62mJ/mm3)。即使可以通過調節溫度來改變阻尼曲線，但吸收的能量的數值只表現出最小的變化。2. 由於水凝膠阻尼器的表觀相變引起的弛豫時間發生變化，轉變頻率在溫度下最終顯示出劇烈的變化(圖3B)。水凝膠阻尼器的吸收能量比較表明：在噪聲和目標信號之間具有良好的選擇性(27℃時為338.73，45℃時為282.39)，是其他阻尼器材料的20多倍(圖3C)。3. 水凝膠阻尼器的阻尼係數也是其他阻尼材料的3.35倍以上(27℃時為22mJ·s/m3，45℃時為5.7 mJ·s/m3)。因此，在使用水凝膠阻尼器的情況下，阻尼器的帶寬較窄(27℃時為80.59 Hz，45℃時為169.3 Hz)，而其他阻尼器顯示出較寬的帶寬(圖3E)。
▲圖 4. 通過使用水凝膠阻尼器對生物生理信號進行高SNR檢測來演示動態噪聲阻尼。1. 本文將水凝膠阻尼器應用於生物電子設備中，發現無需經過信號處理即可實現生物信號的連續檢測，而且在層壓在不同皮膚點（胸部，頸部，手腕和前額）上的水凝膠阻尼器中被鈍化的水量不會顯着變化。首先，為了將目標機械信號從低頻動態噪聲中分離出來，本文組裝了帶有超靈敏裂紋應變傳感器的水凝膠阻尼器(圖1I)。其中一個實驗是在頸部沒有動態噪聲的情況下獲取語音信息(圖4A)。說話過程中頸部振動的頻率通常至少為100赫茲，而物理噪聲來自運動引起的吞咽和皮膚緊張等運動，這些運動的頻率通常低於30赫茲(圖4B)。2. 一名男性志願者在將集成傳感器連接到他的脖子上後說出了「Viva la vida」(萬歲)(圖4C，黃色箭頭)，然後志願者進行了吞咽運動以產生動態噪音(圖4C，黑色箭頭)。結果表明：即使傳感器具有由皮膚或運動的張力引起的低頻動態噪聲，它也在很寬的頻率範圍內起作用，因為該噪聲可以產生不同尺度的摩擦。Morelet小波變換分析表明，傳統的使用帶有PDMS的控制傳感器和80至200赫茲的帶通濾波器件幾乎無法識別聲音信號和吞咽運動(圖4C)。
使用粘彈性材料的選擇性頻率阻尼可最大限度地減少機械噪聲，並能夠在嘈雜條件下檢測具有高SNR的生物生理信號。與機械噪聲中斷後的信號處理相比，材料本身的選擇性頻率阻尼將更有效地獲取清晰的信號。在各種環境條件下，弛豫時間可調的工程策略變得至關重要，並且需要在將來的工作中進一步改進。對於溫度控制，則可能需要在整個設備中增加額外的設備，並且皮膚可能會受到溫度控制器件的影響。本文指出：與剛性可穿戴電子產品相比，可以用粘彈性軟材料加速不需要信號處理步驟的軟生物電子設備的實時應用。
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj9912
鑽石舞台 發表在 痞客邦 留言(0) 人氣()
留言列表
留言列表