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目前醫(yī)院監(jiān)控患者健康情況的方式很多都是侵入性的，會(huì)產(chǎn)生不適的感覺(jué)。賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員希望改變這一狀況，通過(guò)制造生物傳感器，以減少健康監(jiān)測(cè)設(shè)備的體積，提高準(zhǔn)確性和安全性。賓州州立大學(xué)附屬材料研究所Dorothy Quiggle教授實(shí)驗(yàn)室的Larry Cheng說(shuō)，關(guān)鍵是要使傳感器具有可伸縮性和靈活性，使其可以輕松地與人體復(fù)雜的不斷變化的輪廓集成在一起。Dorothy Quiggle實(shí)驗(yàn)室在這一方面取得較大進(jìn)展。

如果能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的既節(jié)能又可擴(kuò)展生物傳感器制造，研究人員建議工程師可以將傳感器穿在身上或者直接放置在體內(nèi)。這樣能獲得更智能、更高效、更個(gè)性化的醫(yī)療服務(wù)，而無(wú)需使用笨重、嗡嗡作響的監(jiān)視設(shè)備。

包括賓夕法尼亞州立大學(xué)在內(nèi)的全世界的研究方向包括：可以結(jié)合生物傳感器的可拉伸紡織品、基于紙的傳感器用于可監(jiān)控傷口狀態(tài)的智能繃帶、結(jié)合生物傳感器的臨時(shí)紋身進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，比如，啟用帶生物傳感器的紋身可以為糖尿病患者提供其葡萄糖水平的即時(shí)評(píng)估。

研究人員最近發(fā)布了他們對(duì)柔性和可拉伸生物傳感器最新的研究進(jìn)展，發(fā)表在《Micromachines》。賓州州立大學(xué)材料研究所的成員Cheng說(shuō)，可以傳輸數(shù)據(jù)的天線是這些生物傳感器想法的關(guān)鍵要素。但這不能是普通的天線。人體中的天線不僅需要在身體的極端條件下堅(jiān)固耐用，而且還需要具有可伸縮性，才可以適合人體中各種器官和組織的輪廓。

創(chuàng)建那些可伸縮天線需要復(fù)雜的計(jì)算才能對(duì)傳感器設(shè)計(jì)所能采取的所有不同變化建模，以確定最佳設(shè)計(jì)。他補(bǔ)充說(shuō)，這意味著僅設(shè)計(jì)過(guò)程就需要大量的計(jì)算能力。

Cheng說(shuō)：“在研究這些想法時(shí)，我們探索了許多不同的模式和設(shè)計(jì)，也產(chǎn)生了很多參數(shù)，這些參數(shù)也產(chǎn)生了新的難題，因?yàn)楹茈y找到具有所有不同參數(shù)的正確設(shè)計(jì)。這就是為什么我們需要更多的計(jì)算能力 -這種額外的計(jì)算能力可以幫助我們利用不同的參數(shù)并找出每個(gè)參數(shù)的效果，然后我們才能找出如何優(yōu)化它們。”

該團(tuán)隊(duì)還希望了解隨著設(shè)備形狀的變化機(jī)械和電磁性能如何變化。研究人員需要利用計(jì)算資源來(lái)設(shè)計(jì)這種可擴(kuò)展的高效天線，借助這種可擴(kuò)展天線，才可以做很多事情，因?yàn)槿绻胝业竭@些傳感器傳輸數(shù)據(jù)的地方，天線是無(wú)法繞開(kāi)的關(guān)鍵元素。下一步是尋找為傳感器供電的方法。Cheng說(shuō)，目前的電池太大而且太硬，無(wú)法為應(yīng)用在人體中的傳感器供電。他的實(shí)驗(yàn)室正在研究為生物傳感器供電的新方法。

雖然我們可能認(rèn)為傳感器必須要接入電源，但Cheng說(shuō)我們實(shí)際上被天然和人造的能源（稱為環(huán)境能源）所包圍。Cheng說(shuō)：“我們現(xiàn)在的工作還集中在收集環(huán)境能量，其中包括Wi-Fi， 3G，4G或5G，甚至是微波源。有了環(huán)境能量，它就能一直運(yùn)轉(zhuǎn)。”

研究人員的設(shè)計(jì)要求使用可伸縮的整流天線，它可以將電磁能轉(zhuǎn)換為直流電。Cheng說(shuō)，這可以為設(shè)備供電，或作為電池的充電電源。由于該設(shè)備可利用的能量范圍更廣，因此研究人員的設(shè)計(jì)要比現(xiàn)有模型好10到100倍?！叭绻覀儍H以單一頻率收集能量，那當(dāng)然會(huì)使我們可以使用的能量最小化，但是通過(guò)在設(shè)備周?chē)膶掝l帶上收集能量，將會(huì)提高效率，” Cheng說(shuō)。

Cheng說(shuō)，他的團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)從事生物傳感器的研究，他們還在研究生物傳感器與類器官的潛在整合，類器官是人類培養(yǎng)的器官特異性組織，旨在模仿自然器官的功能，類器官可以用于醫(yī)學(xué)測(cè)試。Cheng補(bǔ)充說(shuō)，設(shè)計(jì)可以呈現(xiàn)三維形狀的材料是該小組未來(lái)研究探索的另一個(gè)領(lǐng)域。這些“彈出式”設(shè)計(jì)可以作為平面插入目標(biāo)區(qū)域，然后變形為3-D形狀。這些可以被用于健康和醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用中。
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