近日，课题组与同济大学物理科学与工程学院张晓青教授课题组、航空航天与力学学院贺鹏飞/戴瑛教授课题组跨学科医工合作，并联合国内高新技术企业开发了一种非接触式坐姿运动状态追踪及生命体征探测技术，该技术采用的核心元件为一种基于新型人工微结构智能材料-压电驻极体薄膜的高灵敏度柔性压力传感器，该传感器可以灵活得嵌入椅垫或椅背处，实现坐姿状态下身体运动状态追踪以及生命体征的实时、无感监测和信息传输。该新型压电传感器可连接到商业“C-life”智能家居生态系统，为未来智慧健康医疗、智能家居的实现提供重要的技术储备。

研究背景：

不管是工作还是生活，久坐似乎成为人们的常态。久坐使身体长期处于静息状态，能量消耗降低，血液流动变缓，长此以往易导致各类身体疾病。因而，面对久坐的上班族亚健康人群，长期使用轮椅的患者或老年人，对其坐姿运动状态、生命体征进行实时监测，可早期发现身体异常情况，便于及时发出信号提醒医护人员及家属。

与此同时，以可穿戴智能织物、电子肌肤、人体域网和生物电子口罩等为形式的智能电子设备被广泛研究，实现了运动跟踪、手势识别、生理状态监测和人机交互等。然而，这些智能电子产品大多依赖物理接触实现人体信号的转化与信息的收集。这种接触互动可能会导致严重的问题，比如不可避免的机械磨损、佩戴负担以及用户之间的细菌或病毒交叉感染。因此，在远程在线检测和非接触控制系统中，非接触式人机交互是至关重要的，必须开发一种具有简单的设备架构、高灵敏度、自供电、无创使用、舒适体验的坐姿监测产品，用于疾病/身体异常的早期诊断。

研究概况：

（1）本研究采用交联聚丙烯（IXPP）压电驻极体薄膜（压电传感层）和平纹导电布胶带（电极层），设计制备柔性压电薄膜传感器，将其嵌入坐垫/座椅可实现人体坐姿运动状态追踪和生命体征信号的实时、无感监测。为了提高传感性能，结构设计采用折叠工艺，上下两个传感层电学并联，力学串联。该传感器在不改变传感面积的同时，可以将输出信号提升为单层的两倍，并具有更高的信噪比，这使得它们非常适合人体动态机械信号捕捉。

（2）传感器具有优异力学载荷压力敏感性，在较宽的压强范围内具有高线性灵敏度，并且具有快速的响应/恢复时间（40 ms）, 高压力分辨率，可满足大幅度或微弱的人体运动信号的实时准确监测。

（3）传感器呈现出长期循环载荷条件下的机电耐久性，可承受多种形式的机械变形，并且在不同机械变形条件下，传感器均能保持良好的传感性能，并且防水、耐高/低温，形状尺寸可个性化定制。

（4）固定于座椅椅背上的传感器，能够以实时、可视化、无创的方式，进行人体坐姿运动状态的追踪（例如扭动脖子、上下挥舞手臂、伸懒腰、移动双腿等）。

（5）受益于其高灵敏度以及突出的压力分辨率，嵌入商品坐垫以及置于椅背（前/后）的传感器可在非接触模式下探测人体坐姿状态下微弱的生命体征信号，包括呼吸和心率，无需穿戴额外的产品，通过分析生理信号波形可以获得人体健康状况的重要信息。                                          

（6）此外，研究者构建了一个针对久坐人群的健康管理平台，搭建出基于智能坐垫的生命体征实时监测系统，以非侵入模式获取人体坐姿状态下呼吸和心率实时信号波形，其中心率的监测范围为：30-200 BPM（准确度：±5 BPM ），呼吸率监测范围为：6-30 BPM（准确度：±3 BPM ）。

研究意义：

报道的基于压电驻极体的高灵敏度传感器具有突出的机电传感性能和优异的可靠性，适用于从正常到极端的广泛应用环境，以及非接触操作模式下的个人健康管理。该研究实现了以下几个关键特征：

1）同时实现了高灵敏度（92 pC/kPa）、快速响应和恢复时间（40 ms）、宽压力检测范围（0.6-62.4 kPa）、高压力分辨率（0.98%）、大面积可扩展性和在不同环境中的可靠传感能力；

2）提供了一种有效的免接触策略来开发下一代个人电子产品，低频人体运动和微弱生理信号检测是通过一体化配置中的高灵敏度压力传感器在非接触模式下实现的，在未来的移动医疗保健中显示出巨大的应用潜力；

3）进一步设计了一种基于智能坐垫的一体化生命体征监测系统，该系统可以很方便地监测久坐人群的健康状况，例如疾病的早期检测和警报。这项工作为远程医疗中的下一代智能电子产品的设计和开发提供了新的策略，有助于更高水平的生活安全和便利。

相关研究成果受到国家重点研发计划和国家自然科学基金项目的资助，以题为“Highly sensitive, ultra-reliable flexible piezoelectret sensor for non-contact sitting motion tracking and physiological signal monitoring”发表在高水平期刊Nano Energy上。同济大学博士后马星晨为论文第一作者，物理科学与工程学院张晓青教授、医学院/附属养志康复医院牛文鑫教授、同济大学航空航天与力学学院戴瑛教授为论文共同通讯作者。对论文具有突出贡献的合作者还包括本课题组齐燕医生和张珂同学，以及深圳数联天下智能科技有限公司牛洋洋和张启工程师，航力学院博士研究生相新昊等。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108424

该成果被国家自然科学基金委《科学·基金·通讯（委内版）》（第1203期），中国生物医学工程学会康复工程分会、同济大学科研管理部、上海市养志康复医院等官方微信公众号报道。