清華大學(xué)、首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院、北京理工大學(xué)等國(guó)內(nèi)多家單位研究人員,經(jīng)過(guò)幾年研究,開(kāi)發(fā)出一種直徑為300 μm 左右的植入式微型光電探針,在自由活動(dòng)的動(dòng)物深層腦組織中實(shí)現(xiàn)了無(wú)線、連續(xù)、實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的腦組織氧分壓監(jiān)測(cè),為深入探索腦組織中的氧氣濃度變化與神經(jīng)活動(dòng)和腦疾病狀態(tài)的關(guān)系提供了有效工具。該成果2024 年1 月24 日在線發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》上。
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)計(jì)制備微型薄膜式發(fā)光二極管(LED)和光電探測(cè)器,結(jié)合對(duì)氧氣敏感的磷光涂層,加工成高度集成的植入式微型光電探針。“探針?biāo)l(fā)出的磷光信號(hào)對(duì)氧氣具有高度敏感性,光強(qiáng)隨氧分壓的增加而減小,腦組織缺氧時(shí)會(huì)發(fā)強(qiáng)光,因此可通過(guò)光信號(hào)的強(qiáng)弱來(lái)測(cè)出氧氣濃度,且探針響應(yīng)時(shí)間小于1 s,便于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)?!闭撐耐ㄐ抛髡咧?、清華大學(xué)電子工程系副教授盛興說(shuō)。
此外,研究團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了微型柔性電路用于無(wú)線能量與信號(hào)傳輸,配合微型光電探針,實(shí)現(xiàn)全植入式的光電氧分壓傳感系統(tǒng)。
研究人員通過(guò)微創(chuàng)方式將探針植入嚙齒類(lèi)動(dòng)物(小鼠等)腦部,實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)物深部腦區(qū)的氧分壓無(wú)線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),探究腦組織氧分壓的變化規(guī)律。在電刺激小鼠海馬腦區(qū)誘導(dǎo)癲癇的模型中,也測(cè)得癲癇放電后海馬、皮層等不同腦區(qū)顯著的乏氧狀態(tài);同步監(jiān)測(cè)癲癇過(guò)程中的神經(jīng)電活動(dòng)與局部組織氧分壓變化,探索氧氣在腦神經(jīng)異?;顒?dòng)過(guò)程中的作用與機(jī)理。
這種新的無(wú)線腦組織氧分壓監(jiān)測(cè)的工具和方法具有便捷、精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)等優(yōu)勢(shì),未來(lái)有望為患有癲癇、腦腫瘤、腦卒中、顱內(nèi)創(chuàng)傷等疾病的患者提供健康監(jiān)護(hù)管理。
由中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所儀器分析化學(xué)研究室微型分析儀器研究組研究員耿旭輝、關(guān)亞風(fēng)團(tuán)隊(duì)研制的單/雙通道全海深11 000 m 級(jí)原位微生物、有色溶解有機(jī)物(CDOM)和葉綠素?zé)晒鈧鞲衅鳎?023 年10 月28 日至2024 年1 月12 日在“探索一號(hào)”菲律賓海公??瓶己酱沃?,搭載中國(guó)科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所的深淵原位科學(xué)實(shí)驗(yàn)站,在菲律賓海溝開(kāi)展海試,先后進(jìn)行了5 次海底試驗(yàn),最大潛深7 731 m,測(cè)量到了從海平面到海底整個(gè)剖面的微生物(色氨酸)、CDOM和葉綠素a 的濃度,與類(lèi)似海域報(bào)道的剖面數(shù)據(jù)接近,并測(cè)到了該海域特有的“雙峰”現(xiàn)象。
此外,兩個(gè)傳感器在5 568 m 海底連續(xù)停留51 天零7 小時(shí),均工作正常,獲得了有效數(shù)據(jù),表明系列全海深11 000 m 級(jí)原位熒光傳感器具有優(yōu)良的長(zhǎng)期連續(xù)在極端深度深海海底工作穩(wěn)定性。傳感器已通過(guò)110 MPa 耐壓第三方測(cè)試。
近日,英國(guó)劍橋大學(xué)研究人員開(kāi)發(fā)了一種機(jī)器人傳感器,結(jié)合人工智能技術(shù),它可以接近人類(lèi)讀者兩倍的速度閱讀盲文。這一機(jī)器人原本并不是作為盲人輔助技術(shù)而開(kāi)發(fā)的,但其高靈敏度使它成為開(kāi)發(fā)機(jī)器手或假肢的理想模型。它的靈敏度甚至與人類(lèi)指尖相當(dāng)。研究結(jié)果發(fā)表在新一期《IEEE 機(jī)器人與自動(dòng)化快報(bào)》雜志上。
研究人員創(chuàng)造了一種在“指尖”裝有攝像頭的機(jī)器人傳感器??紤]到傳感器的滑動(dòng)動(dòng)作會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)模糊,團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了機(jī)器學(xué)習(xí)算法,以便機(jī)器人閱讀器能夠在傳感器嘗試識(shí)別字母之前對(duì)圖像進(jìn)行“去模糊”。他們?cè)谝唤M應(yīng)用了假模糊的清晰盲文圖像上訓(xùn)練了算法。在算法學(xué)會(huì)對(duì)字母進(jìn)行去模糊處理后,他們使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)模型來(lái)檢測(cè)和分類(lèi)每個(gè)字符。
一旦算法被合并,研究人員沿著一排盲文字符快速滑動(dòng)閱讀器進(jìn)行測(cè)試。機(jī)器人盲文閱讀器可以每分鐘315 個(gè)單詞的速度閱讀,準(zhǔn)確度為87%,比人類(lèi)盲文閱讀快兩倍,準(zhǔn)確度也相近。
美國(guó)和印度科學(xué)家攜手,利用具有可調(diào)諧電子和熱生物傳感能力的納米工程水凝膠,借助3D 打印技術(shù),開(kāi)發(fā)出一種新型電子皮膚。新皮膚可像人類(lèi)皮膚一樣彎曲、拉伸,并具有感知能力,有望應(yīng)用于機(jī)器人、假肢、可穿戴設(shè)備、運(yùn)動(dòng)和健身、安全系統(tǒng)和人機(jī)交互等領(lǐng)域。相關(guān)研究論文發(fā)表于最新一期《先進(jìn)功能材料》雜志。
人類(lèi)皮膚是大腦與外界連接的“橋梁”,通過(guò)觸摸、溫度和壓力為人體提供豐富的反饋。而電子皮膚未來(lái)有望應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域,比如,持續(xù)監(jiān)測(cè)用戶(hù)的運(yùn)動(dòng)、體溫、心率和血壓等生命體征的可穿戴設(shè)備。
最新研究負(fù)責(zé)人、得克薩斯農(nóng)工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系教授阿希列什·賈哈沃指出,為創(chuàng)建電子皮膚,必須開(kāi)發(fā)出耐用材料。這些材料應(yīng)兼具模仿人類(lèi)皮膚的靈活性,包含生物電傳感能力,以及采用適合可穿戴或植入式設(shè)備的制造技術(shù)。為此,他們開(kāi)發(fā)出了一種納米工程水凝膠。
研究人員利用二硫化鉬納米中的“原子缺陷”,使其能實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電性。這些專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的二硫化鉬納米顆粒充當(dāng)交聯(lián)劑,形成水凝膠,并賦予電子皮膚導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。
研究人員在基于水凝膠的系統(tǒng)內(nèi)引入了“三重交聯(lián)”策略。水凝膠更容易處理和操作,解決了3D 打印技術(shù)開(kāi)發(fā)電子皮膚遇到的一些問(wèn)題,有助構(gòu)建復(fù)雜的2D 和3D 電子結(jié)構(gòu)。水凝膠也讓新電子皮膚能更好地順應(yīng)并黏附在動(dòng)態(tài)、潮濕的生物表面上,而這對(duì)醫(yī)療保健尤為重要。
伊朗謝里夫理工大學(xué)的研究人員使用靜電紡絲法合成的聚環(huán)氧乙烷/氧化亞銅復(fù)合納米纖維(PCNF)作為傳感材料,在呼氣模擬器環(huán)境中測(cè)量乙醇濃度(1×10-6~200×10-6),并利用集成的接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)為自供電的PCNF 呼氣傳感器供電。在相對(duì)濕度90% RH 且存在干擾氣體的情況下,基于PCNF 的氣體傳感器檢測(cè)5×10-6和200×10-6 乙醇的響應(yīng)值分別為0.9 和3.2,顯示出良好的結(jié)果。這種自供電的呼氣傳感器能夠持續(xù)監(jiān)測(cè)肺癌癥狀,并有助于檢查是否符合法定飲酒限制。2024 年1 月18 日,相關(guān)研究成果以“Self-powered triboelectric nanogenerator sensor for detecting humidity level and monitoring ethanol variation in a simulated exhalation environment” 為 題 發(fā) 表 在Scientific Reports期刊上。
用于為呼氣傳感器供電的集成接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)(CS-TENG)由FTO 玻璃和Kapton 組成,其后面有鋁帶作為背接觸層。集成TENG 供電傳感器的示意圖如下所示。研究人員預(yù)測(cè)所開(kāi)發(fā)的自供電濕度傳感器與FTO/Kapton TENG 相結(jié)合,將在各種頻率下工作,而傳感器的輸出結(jié)果不會(huì)發(fā)生顯著變化。
研究人員在3 種不同的環(huán)境中評(píng)估了所開(kāi)發(fā)傳感器的性能:高濕度、干燥空氣中的純乙醇蒸汽和90% RH 下不同濃度的乙醇蒸汽(模擬呼出氣體)。通過(guò)分析PCNF 和PNF 傳感器在上述環(huán)境下電阻的變化來(lái)評(píng)估傳感信號(hào)。與PNF 傳感器相比,PCNF 傳感器在所有測(cè)試環(huán)境中都表現(xiàn)出優(yōu)異且一致的傳感信號(hào)和響應(yīng)水平,這主要是由于同時(shí)利用了親水性聚環(huán)氧乙烷納米纖維和氧化亞銅納米顆粒,從而產(chǎn)生了更多的吸收位點(diǎn)。PCNF 傳感器在90%RH、200×10-6純 乙 醇 和90% RH 下200×10-6乙醇中的響應(yīng)值分別為9.1、2.5 和3.2。
此外,還研究了基于PCNF 的自供電呼氣傳感器在人體呼出氣體傳感環(huán)境中的性能,以在實(shí)際應(yīng)用中測(cè)試傳感響應(yīng)值、響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間和可重復(fù)性。
總而言之,研究人員采用聚環(huán)氧乙烷/氧化亞銅復(fù)合納米纖維和FTO/Kapton 摩擦納米發(fā)電機(jī)作為電源,開(kāi)發(fā)了一種自供電呼氣傳感器,用于檢測(cè)人體呼出氣體中的乙醇水平。
值得注意的是,基于PCNF 的傳感器表現(xiàn)出顯著的特性,例如一致的輸出信號(hào)、持久的穩(wěn)定性、優(yōu)異的選擇性和快速的響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間。呼氣傳感器通過(guò)提供一種非侵入性的快速診斷工具,有可能徹底改變疾病診斷和監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。該呼氣傳感器在各種疾病領(lǐng)域的應(yīng)用仍在探索中,需要進(jìn)一步研究以了解該技術(shù)的潛力。盡管如此,這種呼氣傳感器的發(fā)展代表了一個(gè)有前途的研究領(lǐng)域,有可能提高疾病診斷和監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性、速度和便利性。