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  呼吸系統疾病是一種常見病、多發病，隨著全球人口老齡化和大氣污染的加劇，各種呼吸系統疾病的患病率不斷上升。通過呼吸傳感器對人體的呼吸狀態進行檢測，可以獲取呼吸頻率、呼吸深度等重要的生理信息，直接或間接反映人體的生理健康狀況，為慢性阻塞性肺部疾病、囊性纖維化引起的呼吸功能障礙等呼吸系統疾病的預測和診斷提供關鍵信息。

  目前臨床用于呼吸檢測的醫療設備雖然具有較高的準確性和穩定性，但因其操作復雜、便攜性差、功耗高等問題，對于需要長期連續呼吸監測的慢性呼吸系統疾病風險人群的適用性較差。因此，需要開發一種低功耗、便攜、可穿戴、監測準確度高的呼吸傳感系統。納米發電機無需外部電源，可以將人體的呼吸運動或氣流直接轉換為電信號，用于人體的呼吸監測。然而，目前基于納米發電機構建的呼吸傳感器通常會存在：傳感器件與人體組織模量不匹配，監測時易受到來自身體其他部位運動干擾，以及長期監測下的穩定性等問題。針對以上問題，北京理工大學鄧玉林教授團隊和北京納米能源與系統研究所李舟研究員團隊提出了一種仿鯊魚鰓的可拉伸分級多通道自驅動呼吸傳感器，實現了與人體組織模量的有效匹配，具有良好呼吸監測準確性和穩定性的同時兼具一定的抗干擾能力。

圖1. 鯊魚呼吸時的鰓部運動（圖片來自網絡）

  鯊魚在呼吸時會伴隨著鰓裂結構有節律的收縮和舒張，在鰓部肌肉的協調控制下，幾對鰓裂的開合與關閉同步進行（圖1）。受到鯊魚鰓裂結構的啟發，基于多層有機硅彈性體，一種可以將橫向形變轉換為縱向形變的彈性變形結構被設計出，基于該結構成功構建了柔性可拉伸的多通道復合式納米發電機。平行排列的條狀發電單元模仿了鯊魚的鰓裂結構，條帶底部的PDMS層類似于鰓弓軟骨，起支撐條帶結構的作用，中間的PVDF層相當于鰓絲，是進行電能轉化的核心部件，基底層的銀納米線區域如同鰓囊，是器件進行電能轉化的主要區域。條狀發電單元兩側的硅膠如同鰓部肌肉，將這些條帶與整個支撐基底層有效地連接在一起。這種仿鯊魚鰓結構的納米發電機受到來自橫向（長軸方向）的機械牽拉時，會自發轉換為縱向的彈性形變，從而驅動相應的發電單元工作并產生電信號輸出（圖2）。

圖2. 仿鯊魚鰓納米發電機的結構和仿生原理

  通過對結構進一步優化，成功構建了可以對不同拉伸應變程度逐級響應的柔性多通道仿鯊魚鰓呼吸傳感器（Bionic shark gill structure-respiratory sensor，BSG-RS）。BSG-RS具有良好的柔性，可拉伸性，和抗疲勞性，同時對不同程度的拉伸應變具有分級的電學響應特性，在用于人體呼吸運動傳感時可以同時檢測呼吸速率和呼吸深度。基于BSG-RS還開發了一套可穿戴的無線實時呼吸監測與分析系統（圖3），可以實時監測人體在多種體態以及不同呼吸方式下的呼吸運動，通過軟件對多個通道采集到的呼吸波形信號處理分析，結合模式識別算法，可以實現對不同呼吸狀態的有效識別。這種基于BSG-RS的呼吸傳感系統具有與人體組織模量相匹配的核心工作部件，同時多個通道的設計使其具有一定的抗干擾能力，在長期測試下的具有良好的穩定性和耐久性，在未來有望應用于移動式、家居式的醫療健康監測與輔助診斷。

圖3. 基于BSG-RS的無線實時呼吸監測與分析系統

  相關成果以“Stretchable graded multichannel self-powered respiratory sensor inspired by shark gill”為題近日發表于由國家自然科學基金委員會主辦的高起點、高水平綜合期刊Fundamental Research。論文的第一作者是北京理工大學博士后鄒洋和廣西大學博士蓋延松，通訊作者是北京理工大學鄧玉林教授和北京納米能源與系統研究所李舟研究員。

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325822000425