近日，清華大學田曦教授和團隊研發出一種基於電磁超表面的非接觸式生理，可在飛機和汽車等高動態環境中實現高靈敏度、抗干擾的生命體徵監測。
該電磁超表面感測器採用人工表面等離激元結構，支援高壓縮表面電磁波的傳輸，顯著增強了無線訊號與人體組織之間的近場互動。
結合數字刺繡工藝，該結構可以無縫整合到安全帶中，即使透過衣物也能在複雜動態環境下捕捉到微小的心跳和呼吸訊號。
這款基於電磁超表面的生物感測器透過結合無線感測技術與柔性可穿戴技術，可以實現動態環境下生理訊號的非接觸式監測，為傳統無線感測器在複雜動態場景中的應用提供了新的解決方案。
同時這款電磁超表面感測器基於人工表面等離激元結構，該結構透過高度壓縮的表面電磁波傳輸，將無線訊號的能量集中在感測器表面附近，放大無線訊號與人體組織的相互作用，提高人體生理訊號檢測的靈敏度。
與傳統無線感測器相比，該設計提高了訊號靈敏度，並且在多徑反射和車輛振動干擾下仍能保持訊號穩定性。
此外，他們利用數字刺繡技術，透過在織物基底上刺繡導電紗線實現了電磁超表面結構。
因此，該電磁超表面生物感測器可以無縫整合到安全帶中並貼合人體輪廓，提高了使用的舒適度且不會影響駕駛。
為了驗證電磁超表面感測器的效能，他們在飛機模擬艙內安全帶的肩帶、腰帶等多個位置集成了該感測器。
透過與傳統接觸電極捕獲的心電訊號進行對比，發現該感測器能夠準確提取心率和 R-R 間期，即使隔著厚外套，感測器依然能夠準確提取心跳和呼吸訊號。
他們還在飛機模擬艙內進行了日常活動場景的生理監測測試，包括喝水、打字、使用手機等。
結果表明，電磁超表面感測器在有身體運動、背景噪聲干擾的動態環境中能夠可靠地提取心跳和呼吸訊號。
更重要的是，在實際車輛環境的測試中，即使在複雜多變的交通條件下，該感測器仍能夠保持較高的檢測精度。
在實際測試中，感測器成功捕捉到了被測者因睏倦而引起的心率變化，為進一步開發疲勞駕駛預警系統提供了可能性。
此外，他們還拓展了感測器在睡眠監測方面的應用。在睡眠實驗中，該感測器透過檢測心率的動態變化來監測睡眠-覺醒週期。
這一結果表明該感測器在健康監測、睡眠管理等領域也具有應用潛力。總的來說，本次研究展示了電磁超表面結構在捕捉人體生理訊號方面的優勢，並將其與數字刺繡技術相結合，在真實駕駛環境中實現高靈敏度、抗干擾的生命體徵訊號檢測。
研究人員表示，電磁超表面生物感測器為開發無需使用者佩戴裝置或直接貼附於身體的駕駛員監測系統提供了可能性。該電磁超表面感測器可以持續且可靠地捕捉人體生命體徵訊號，在提高駕駛安全性方面具有重要潛力。
除能用於汽車工業之外，這種電磁超表面感測器在航空航天領域也有潛在的應用前景。
例如，在飛行員或宇航員執行任務期間，實時監測他們的生理狀態對於確保任務的安全和成功至關重要。
統計資料顯示，疲勞駕駛是引發交通安全事故的重要原因之一。及時準確檢測疲勞駕駛行為，緩解和改善駕駛員疲勞困倦狀態，對避免車輛事故、提高道路安全具有重要意義。
傳統的接觸式感測器透過實時監測駕駛員的心率、呼吸等生理特徵，能夠有效辨識疲勞駕駛行為。
然而，此類感測器通常需要直接接觸皮膚才能工作，在實際駕駛環境中，其檢測效果往往會受到駕駛員的動作、車輛振動、衣物阻擋等嚴重干擾。
而另一方面，現有的無線感測器具有非接觸等優勢，但在駕駛環境中同樣容易受到干擾，例如車輛振動噪聲或多乘客帶來的干擾，導致難以實現可靠、連續的生命體徵監測。
而該團隊專注於為下一代可穿戴裝置開發無線技術。五年前，他們開發了一種超表面織物，可以模仿金屬表面的表面等離激元（類似於沿金屬表面傳播的光波）使無線訊號沿人體表面傳播。
最初，他們利用這種超表面紡織來增強可穿戴裝置之間的互聯，從而構建一種新型且高效的體域無線網路。
雖然這個概念很有前景，但因為電子織物在服裝中的應用還比較小眾，該超材料織物的普及相對較慢。
在這種背景下，他們開始思考紡織品的其他潛在用途，並意識到紡織材料在日常環境中無處不在，包括車輛內部。這啟發他們考慮將這項技術應用於車輛環境中的無線感測。
受到生物醫學研究中基於等離激元感測器的啟發，他們推測這種電磁超表面可以用於增強對於人體生理訊號的無線感知，特別是生命體徵的檢測。
令人驚喜的是，在嘗試了不同的場景後，他們發現這種感測器即使在具有挑戰性的環境中也能有良好的表現。
這種探索逐漸讓他們從基礎技術研究走向應用研究，最終形成了現在的基於電磁超表面的非接觸式生命體徵感測器。
日前，相關論文以《一種用於動態環境的數字刺繡超材料生物感測器》（A digitally embroidered metamaterial biosensor for kinetic environments）為題發在Nature Electronics[1]。
新加坡國立大學曾琪杭博士是第一作者，田曦以及新加坡國立大學何思遠（John S. Ho）副教授擔任通訊作者。
雖然他們的研究表明該電磁超表面感測器可以在不受干擾的情況下捕捉生命體徵，但要將其轉化為能夠增強道路交通安全性的實用工具，還有很多方面需要改善。
例如，感測器的無線驅動電路需要進一步小型化，並整合到緊湊的模組中，以實現低成本大規模的生產。
此外，他們還需要開發新的演算法，將檢測到的生理訊號轉換為評估駕駛員狀態的指標，如疲勞狀態、分心和壓力水平，並在必要時向駕駛員發出警告。
以往研究已經證明了生物特徵（如心率變異性）在預測疲勞和睏倦狀態方面的價值，可以作為開發相關演算法的基礎。
同時他們計劃與汽車製造商合作，進一步改進感測器設計，推動其大規模應用。
這就需要解決現有原型的一些侷限性，包括進一步小型化射頻模組、將超表面感測器無縫整合到安全帶中，以及最佳化駕駛員狀態的檢測演算法。
他們希望能夠在一系列的真實駕駛環境下進一步驗證該電磁超表的面感測器系統的可靠性。
透過持續的改進與合作，課題組的目標是將這項技術發展成一種可以預防事故並挽救生命的實用工具。
總的來說，他們的下一步計劃是最佳化感測器設計，使其更加小型化和低成本，以便實現大規模量產。
這包括最佳化感測器與安全帶的無縫整合，改進演算法以適應複雜的駕駛環境，並在不同的駕駛場景中驗證感測器的可靠性。
最終目標是為道路安全提供一種可靠工具，同時探索其在航空、航天和健康管理領域的更多應用潛力。
參考資料：
1.Zeng, Q., Tian, X., Nguyen, D.T. et al. A digitally embroidered metamaterial biosensor for kinetic environments.Nat Electron7, 1025–1034 (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01263-4
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