基于柔性传感器的高舒适度智能面罩检查是否正确佩戴并监测咳嗽
用于无线咳嗽和口罩佩戴监测的透气、可重复使用和零功耗智能口罩
【导读】：一种轻量级、零功耗的智能口罩，能够实时无线监测咳嗽，并在新冠疫情期间识别公共场所佩戴的正确口罩。智能面罩依赖于紧凑型、无电池射频 (RF) 谐波转发器，该转发器连接到面罩的内层，用于检测其与面部的分离。
这种无线智能口罩可以同时提供咳嗽和口罩佩戴监测，可以通过跟踪潜在的传染者和识别口罩佩戴情况来减轻病毒传播事件。此外，无线评估咳嗽频率的能力可以提高对多种疾病的诊断准确性，例如慢性阻塞性肺病。
在过去 2 年中，由于新冠疫情，人们越来越关注口罩，这引发了一系列研究，不仅涉及如何使这些口罩对佩戴者更有效、更舒适，而且还涉及如何提供它们具有附加功能。
例如，今年早些时候，研究人员报告了一种“智能”FFP2 面罩，当 面罩内的CO 2超过限值时，它会发送移动警报。
“除了抗击新冠疫情的意义外，开发智能口罩和可穿戴设备的趋势越来越大，因为它们在健康监测和预防保健、个性化行为建模和医疗物联网方面的潜力越来越大，” Pai-Yen Chen伊利诺伊大学芝加哥分校电气与计算机工程系副教授告诉 Nanowerk。“然而，现有的研究在很大程度上忽略了佩戴舒适性和透气性，这对于用户体验和佩戴口罩的合规性至关重要。”
针对这一问题，由伊利诺伊大学芝加哥分校陈教授和密苏里大学郑艳教授领导的研究团队开发了一种多功能无线智能口罩，能够识别佩戴口罩的情况并监测佩戴口罩的频率和模式。咳嗽——这是许多呼吸道疾病的常见症状。
所提出的智能面罩的示意图。（图片：陈佩燕教授研究组）
正如团队在ACS Nano（“用于无线咳嗽和口罩佩戴监测的透气、可重复使用和零功耗智能口罩”）中报告的那样，新型智能口罩能够同时远程监测咳嗽和口罩佩戴情况和免电池的方式，最重要的是，它提供了出色的穿着舒适性和透气性。
面罩织物嵌入了柔软且无电池的射频 (RF) 谐波转发器，可实现对咳嗽和面罩佩戴的持续、实时无线监控。
目前大多数智能面罩采用刚性材料或印刷电路板 (PCB) 连接到无孔聚二甲基硅氧烷 (PDMS)，这通常体积庞大、笨重且不透气。相比之下，柔性、可拉伸和柔性射频转发器的天线和电路是基于喷涂银纳米线 (AgNWs)/PEDOT:PSS 和多尺度多孔基板制造的，该基板具有超柔软、柔性、可拉伸，最重要的是，被动冷却和透气，提供长期穿着舒适。
这种零功耗轻巧的智能口罩不仅可以在口罩佩戴不当时提醒用户，还可以监测用户的咳嗽频率和模式，以分析呼吸道症状。
由普通面罩和贴在其内层的软谐波转发器组成的智能面罩示意图。
射频转发器利用谐波传感技术来减轻不必要的电磁干扰，例如杂波和自干扰，从而即使在嘈杂的室内和丰富的散射环境中也能实时监测咳嗽和适当使用口罩。
这个概念依赖于发射无线电信号并接收由谐波标签产生的谐波（科学报告，“用于无处不在的无线微升液体体积监测的零功率谐波转发器传感器”），在这项工作中是紧凑的软谐波转发器。频率正交性可以有效抑制系统中的电磁干扰（EMI）。
此外，与当前的咳嗽监测方法（如声学和光学传感）不同，所提出的射频方法不会引起任何隐私问题，同时提供可比甚至更高的准确性和可靠性。
严说，材料创新也很重要：“我们首次使用了最近发现的多孔聚苯乙烯-嵌段-聚(乙烯-冉-丁烯)-嵌段-聚苯乙烯 (SEBS) 基材 ( PNAS , ”Multiscale用于具有被动冷却能力的多功能皮肤电子产品的多孔弹性体基板”）和 AgNWs 嵌入的聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT：PSS）导电聚合物，用于开发软射频天线和无线电-频率电路。SEBS 基板和导电聚合物都是轻质、柔韧、可拉伸的，最重要的是，透气性（几乎无阻力的空气和湿气流动），使这种新的纳米材料平台特别适用于可穿戴天线和电子应用。 "
为提高新型口罩的佩戴舒适度，多尺度多孔 SEBS 基材具有被动冷却能力，可有效降低口罩内部温度——这是湿热气候下的重要考虑因素。此外，多孔传感器标签重量轻、超柔软、柔韧、可拉伸且透气。SEBS 基板上的压差与商用面罩相当，这表明基于 SEBS 的转发器标签不会造成任何呼吸负担。
然而，尽管谐波转发器中使用的 AgNW 具有出色的导电性和生物相容性，但由于氧化和硫化，它们在空气中缺乏稳定性。此外，据报道，吸入 AgNWs 存在潜在风险，这表明吸入 AgNWs 可能导致肺部炎症。
为了解决这些问题，研究人员选择了具有高度生物相容性的导电材料 PEDOT:PSS 作为钝化层，以隔离 AgNW 并防止泄漏。“我们的实验结果表明，PEDOT:PSS钝化层可以提高AgNWs在高湿高温条件下的电稳定性，并且可以避免纳米材料中潜在的呼吸风险，使谐波转发器更贴合面罩。耐用且安全，”严指出。
不同佩戴位置的基于 SEBS-AgNWs/PEDOT:PSS 的智能口罩的时间序列接收信号强度指示信号。
他还指出，除了监测咳嗽和识别口罩佩戴状态外，软谐波转发器可能会在智能可穿戴设备、人机界面和物联网 (IoT) 设备中找到许多应用。
例如，谐波转发器可以充当纹身状、可穿戴运动或手势传感器，以检测膝盖、肘部、手指等的运动，因为任何改变软天线谐振频率的运动或弯曲都可能导致调制谐波接收信号强度指示器（RSSI）。因此，所提出的无线智能面罩也可用于临床实践和远程医疗。
Chen 和他的团队正在应用他们的纳米材料平台来开发各种无电池、无线、可穿戴传感器。目前，例如伊利诺伊大学芝加哥分校和密苏里大学科学家的联合团队正在研发一种零功耗、透气、舒适的智能绷带，可以监测当地的温度、湿度、pH值和尿酸。伤口周围水平。这种智能绷带可以与药物输送系统集成，以监测和促进伤口愈合过程。
展望未来，陈希望开发一个通用的材料平台，用于可穿戴天线和高频工作的集成电路。“我们预计这将有利于许多应用，远远超出智能传感器，但是，仍有一些技术障碍需要克服，”他说。“由于软导电材料的薄层电阻相对较高（与传统金属线相比），仍然难以支持基于可穿戴电子设备的复杂多层电路设计。我们正在发明一种新的材料平台和电互连技术，以应对这些挑战。”