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  先進(jìn)的生物電子交互設(shè)備在檢測和測量人體生理信號領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的前景。研究人員已經(jīng)開發(fā)了基于不同傳感機(jī)制的可穿戴或植入式柔性振動(dòng)傳感器，用于準(zhǔn)確采集人體運(yùn)動(dòng)中與振動(dòng)相關(guān)的生理數(shù)據(jù)。然而，這些傳感器常常受到運(yùn)動(dòng)偽影和環(huán)境噪聲的干擾。在信號處理過程中，通常需要通過算法消除噪聲，但后端信號處理可能導(dǎo)致信號的部分失真和延遲。在蜘蛛的縫隙振動(dòng)感受器官和帶有角質(zhì)層墊的阻尼結(jié)構(gòu)的啟發(fā)下，中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所的官輪輝研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種新穎的仿生振動(dòng)傳感系統(tǒng)。基于蜘蛛跗骨裂紋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的振動(dòng)傳感器表現(xiàn)出極高的靈敏度和準(zhǔn)確的振動(dòng)感知能力，而凝膠阻尼器能夠有效地減弱外部偽影和噪聲對振動(dòng)信號的影響，確保更清晰、更可靠的信號采集。這一傳感系統(tǒng)展示了一種有效的物理方法，用于提高信號的質(zhì)量和抗干擾能力，在聲學(xué)分析和語音研究中具有巨大的應(yīng)用潛力。

  蜘蛛的腿上有專門的感覺器官，稱為狹縫器官，它參與了振動(dòng)和空氣運(yùn)動(dòng)的檢測。裂縫的幾何形狀通過使機(jī)械性順應(yīng)性成為可能，從而允許對為狹縫在其周圍環(huán)境中對振動(dòng)作出響應(yīng)的小變形進(jìn)行敏感識(shí)別。除了它們敏感的為狹縫器官外，蜘蛛還有一個(gè)獨(dú)特的阻尼系統(tǒng)，包括角質(zhì)墊，它在蜘蛛的生存和捕獵策略中起著至關(guān)重要的作用。蜘蛛振動(dòng)感受器中的角質(zhì)墊具有阻尼和吸震特性，使蜘蛛能夠在有風(fēng)和雨的條件下檢測由獵物引起的小振動(dòng)信號。通過裂縫狀的為狹縫器官對高精度振動(dòng)信號的獲取以及通過粘彈性角蛋白層對選擇性頻率過濾，蜘蛛能夠從環(huán)境中的固有噪音中區(qū)分和識(shí)別目標(biāo)振動(dòng)特征，實(shí)現(xiàn)物理過濾效果。裂縫器官與帶有角質(zhì)墊的阻尼結(jié)構(gòu)的結(jié)合賦予了蜘蛛一種精致而精密調(diào)節(jié)的感覺系統(tǒng)。許多研究人員一直關(guān)注蜘蛛生物感覺系統(tǒng)的潛力，這使得它們能夠進(jìn)行廣泛而高靈敏的振動(dòng)檢測。具體而言，蜘蛛狹縫啟發(fā)的傳感器有助于實(shí)現(xiàn)超高靈敏度。此外，用于底物的固有可拉伸彈性材料改善了其滯后、響應(yīng)時(shí)間和感知范圍。盡管近年來通過引入裂縫結(jié)構(gòu)在超高靈敏蜘蛛仿生傳感器方面取得了進(jìn)展，但很少有研究關(guān)注如何提高其阻尼能力，以隔離或消除與目標(biāo)無關(guān)的信號引起的干擾。凝膠阻尼表現(xiàn)出類似于蜘蛛角質(zhì)的粘彈性。凝膠阻尼指的是在傳感器系統(tǒng)中利用凝膠材料來減輕或抑制信號中的干擾和噪音。通過利用凝膠的粘彈性特性，這種方法可以有效地減弱外部干擾，減少非期望的振動(dòng)或振蕩。

圖2. 結(jié)構(gòu)表征及界面穩(wěn)定性測試

圖3.裂紋傳感器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電機(jī)械響應(yīng)性能

圖4. 阻尼性能及其在生物電子學(xué)中的相關(guān)應(yīng)用

圖5. 阻尼集成傳感系統(tǒng)的測試及應(yīng)用

  蜘蛛啟發(fā)的凝膠阻尼材料有助于保持傳感器的穩(wěn)定性和可靠性。此外，凝膠阻尼提供了一定程度的隔離環(huán)境的作用，最小化了外部因素對信號獲取的影響。它阻礙了外部運(yùn)動(dòng)偽跡和低頻機(jī)械噪音的傳遞，從而提高了獲取信號的純度和可靠性。如圖5j所示，將集成阻尼傳感器貼在男性的頸部后，獲取了一個(gè)發(fā)音“你好”的聲音信號。集成傳感器的聲學(xué)信號波形在發(fā)聲和松弛期之間顯示出明顯的差異。由阻尼集成傳感器收集的信號呈現(xiàn)出語音信號的典型特征，與具有較大幅度的表皮運(yùn)動(dòng)不同。通過采用快速傅立葉變換（FFT），具有凝膠阻尼器的裂縫傳感器的頻譜圖在語音信號與表皮運(yùn)動(dòng)或呼吸信號之間表現(xiàn)出相對明顯的分離。聲音信號的主要頻率主要集中在80到200Hz的范圍內(nèi)，低頻干擾振動(dòng)信號得到了顯著減弱。

  該研究以題為“Physiological Sensing System Integrated with Vibration Sensor and Frequency Gel Dampers Inspired by Spider”的論文發(fā)表在《Materials Horizons》上。文章第一作者是中國科學(xué)院福建物構(gòu)所黃建仁博士。通訊作者為中國科學(xué)院福建物構(gòu)所的官輪輝研究員。該工作得到國家自然科學(xué)基金的資助。福建省腫瘤醫(yī)院放射生物學(xué)研究室林賢東博士為本工作提供了大力支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D3MH01719B

  官輪輝研究員課題組網(wǎng)站：https://www.x-mol.com/groups/Guan_lunhui