Nature Electronics：这个传感器，无线、无电池！

小奇

2026-04-17

利用高保真表皮传感器对生理信号进行持续监测，在疾病的诊断、管理和治疗方面颇具价值。尤其是电子技术和材料研究的进步，推动了可部署于全身网络设备中的微型表皮传感器的发展，这类传感器能够实现对健康状况的全面监测以及有针对性的治疗干预。全球约三分之一的成年人口患有高血压；因此，血压（尤其是持续监测的情况下）可作为诊断和治疗的重要生物标志物。传统的基于袖带的监测方式只能获取瞬时压力值，且要求受试者保持静止。相比之下，由分布式表皮传感器组成的网络可用于持续监测血压。然而，现有的表皮传感平台具有侵入性，且通常只能进行短时间记录。这些局限性源于供电方案不足，例如使用笨重的电池，这会影响舒适度、传感保真度，并且需要用户或医疗保健提供者频繁更换。

使用无线电力传输的无电池传感器，可通过将电源置于环境（如床上用品或家具）中来解决部分挑战。这些无线无电池表皮传感器能够以高保真度采集多种生物信号，例如，可实现全身压力和温度映射，以及新生儿重症监护的持续生命体征监测。然而，这些方法依赖于近场耦合或远场电力传输，当传感器远离发射天线时会出现功率下降问题，从而限制了自由活动，或者需要在设备上配备小电池以实现持续运行。

超材料织物利用衣物作为引导无线电力和信号传播的平台，可与微型传感器配合使用且无需电池。此类衣物可通过近场通信或低功耗蓝牙为全身的表皮传感器供电并实现互联，从而在自由活动的同时实现持续健康监测。这些设备网络还可利用智能手机作为电源。然而，这些系统通常仅限于单一工作模式，这就迫使在高通信速度和高效能量传输之间做出权衡。这给实现高保真度和多模态生物传感带来了挑战。在蓝牙低功耗频段工作的超材料织物设计已展现出无线通信效率提升超过30分贝，但在无线电力传输效率方面却不尽如人意。相比之下，基于近场通信的织物解决方案可实现高效的无线电力传输，但受限于低数据速率。因此，需要一种能在人体上同时支持高效无线电力传输和高速通信的集成解决方案。

在此，新加坡新加坡国立大学John S. Ho教授、美国亚利桑那大学Philipp Gutruf教授和清华大学深圳国际研究生院田曦研究员合作，报道了一种由超材料衣物介导的无电池无线表皮传感器网络，该网络可实现对收缩压（SBP）的持续监测。该系统基于一种双模超材料织物，支持近场通信（13.56兆赫）信号传播以实现高效无线电力传输，以及蓝牙（2.4吉赫）信号传播以实现高速数据通信。超材料织物由图案化导电织物构成，可集成到普通衣物中。我们使用智能手机作为中心枢纽，通过超材料网络为多个无电池表皮传感器无线供电并获取生物信号。研究表明，与近场衣物相比，通过此类超材料织物互联的表皮传感器网络的传感速率可提升两个数量级以上（>100倍），同时保持相当的无线供电效率。作者团队表明，该方法可用于在具有挑战性的运动条件下（如运动期间）通过为两个表皮心电图（ECG）和光电容积脉搏波（PPG）传感器无线供电并联网，实现对血压的持续监测。

供电与组网系统设计：

下图展示了表皮供电与组网概念，其中提出了双模超材料织物，通过将电力传输（13.56兆赫）和数据通信（2.4吉赫）分配到不同通道，实现使用无电池表皮传感器进行高速率、持续的生理监测。这种超材料织物集成了人工表面等离子体激元（SSP）波导和多个相互连接的平面电感图案，共同实现了双模功能。SSP波导有助于高效的无线表面波传播，支持2.4吉赫信号的高速传输。同时，通过SSP结构相互连接的平面电感图案，可作为13.56兆赫电力在空间不同位置分配的中继。

双模工作机制在供电模式下，SSP结构起到连接平面电感图案的导电导线的作用。当智能手机靠近带有这种电感图案的终端时，由智能手机近场通信（NFC）线圈感应产生的13.56兆赫交流电可通过SSP结构引导至其他终端，从而将NFC供电范围扩展至远处的无电池表皮传感器。其次，在通信模式下，梳状平面SSP结构作为波导，促进2.4吉赫ISM频段内类似表面等离子体激元的波的传播。这有助于实现身体周围的高效无线通信。因此，无电池表皮传感器可在NFC模式下获取电力，从身体不同部位采集生物信号，并通过低功耗蓝牙（BLE）将数据传回智能手机。高频BLE信号沿身体传播，并能安全到达智能手机，且不会因有损耗的生物组织而大幅衰减，从而确保高速率、持续的健康监测。

将超材料织物与棉-聚酯混纺衬衫的集成。通过将无电池表皮传感器粘贴在手腕上，距离终端1厘米以内，并将智能手机放置在上臂上方的中心位置，验证了该设计的连通性。超材料织物即使在70℃水中浸泡超过20小时，其电气性能变化也小于5%，表现出良好的耐久性。它还具有热稳定性；在连续运行3小时的过程中，表面温度没有明显升高，变化幅度小于2%。

图：基于超材料织物的无电池表皮传感器网络

系统特性分析：

该可穿戴设备设计为在系统电压4伏时提供峰值输出功率。这通过将表皮NFC天线绕制六圈来实现。其功率输出可满足数字和射频（RF）组件（1.8伏）以及光电组件（3.3伏）的电压和电流需求，无需使用最大功率点跟踪集成电路（IC），从而提高了表皮传感器的效率并减小了设备体积。表皮传感器在整流电压为4伏、电阻负载为980欧姆时，能够采集到最大16毫瓦的功率。超材料织物的刚度略高于聚酯、氨纶和人造丝等常见织物，但低于棉。尽管如此，其刚度仍在舒适范围内，不会阻碍人体自然运动或造成不适。织物透气性通过水蒸气透过率来评估，这对穿着舒适度有显著影响。在20摄氏度和60%相对湿度条件下进行的测试表明，超材料织物的水蒸气透过率与常见织物相当。未涂层的超材料织物具有较高的透气性和舒适度，而涂层版本则可为多次使用场景提供更高的耐用性，尽管其透气性相较于传统织物有所降低。

通过测量供电和通信模式下的无线传输特性，对织物设计进行了表征。通过将接收器沿横向（位移，w）和垂直方向（距离，h）远离织物移动，研究了无线传输对几何变化的依赖性。功率效率η定义为从智能手机发射线圈到传感器节点接收天线的耦合传输效率，为评估超材料辅助无线系统提供了一个公平且可比较的指标。在台架实验中，采用平面线圈作为接收器和收发器，以测量供电模式下的η。在13.56兆赫下实现了线圈与织物上相应电感图案之间的阻抗调谐。在完美对齐条件下，超材料织物可实现高达17%的无线功率传输效率η。然而，当横向位移超过11毫米或垂直距离超过6毫米时，效率会降至5%以下。当接收线圈旋转时，性能保持稳定，效率超过16%。当终端数量增加时，每个传感器节点的耦合效率会适度下降——两个终端时约为17%，六个终端时约为5%。尽管如此，整体系统级传输效率保持稳定，性能仅有轻微下降。在日常活动中，织物与皮肤之间的移动或旋转不可避免，而超材料织物展现出了强大的能力，能够维持高效的功率传输，凸显了其在现实场景中的实用性。

BLE收发器的无线传输可在软件层面根据与接收设备的连接强度进行配置。进行了BLE 5.2物理层测试规范的直接测试模式，以研究有无超材料织物时支持BLE的可穿戴设备的无线通信性能。将两块nRF52 DK开发板放置在腹部两侧，无视线遮挡且相距30厘米。使用nRF Connect for Desktop软件传输和接收一系列具有不同传输功率水平的数据包，并计算成功接收的数据包百分比。使用超材料织物时，通过表面波实现的BLE连接在所有功率水平下均取得了实际效果。而使用传统方法在输出功率低于-5分贝毫瓦时会出现高数据包丢失率，在输出功率低于-10分贝毫瓦时则无法建立连接。仅在输出功率高于0分贝毫瓦时才能实现实际的数据包传输性能。相比之下，超材料织物可将商用蓝牙模块的发射功率降低至-20分贝毫瓦甚至-40分贝毫瓦，而不会对数据包延迟产生任何影响，直接降低了功耗。实验结果表明，以如此高功率水平运行的传统BLE会导致峰值电流增加一倍以上，平均电流增加33%。这一增加不容忽视，因为在这种无电池无线传感器网络中，功耗至关重要，采集到的能量必须谨慎分配给每个表皮节点的所有组件。此外，BLE通信中的高数据包丢失率会导致重传次数增加和延迟升高。通过在不同传输功率水平下，对有无超材料织物的情况进行了额外的延迟和传输时间测量。延迟测量结果显示，传统BLE连接在-12分贝毫瓦时表现出不稳定性，平均延迟为62.6毫秒，而在-16分贝毫瓦时，连接因数据包丢失过多而失败。相比之下，使用超材料织物时，即使在-40分贝毫瓦下仍能保持可靠的BLE通信，平均延迟降低至22.2毫秒，且数据包丢失率可忽略不计。

为了评估织物通信模式的鲁棒性，监测2.4吉赫至2.5吉赫ISM频段内用于BLE通信的无线传输频谱。所有测量均在直径20厘米的水桶一侧进行，以模拟人体对信号的损耗效应。使用由铜片切割而成的两个相同的定制蝶形天线测量传输。与无超材料织物的情况相比，当接收器天线与超材料织物完美对齐时，通信性能提高了25分贝以上。尽管传输效率通常随距离h增加或位移w增加而降低，但与无超材料织物的情况相比，使用超材料织物时，在高达12毫米的位移或7毫米的距离下，传输效率至少提高了一个数量级。接收器天线的方向测试显示，传输效率最大降低5分贝，但结果始终优于无织物情况，且提高了20分贝。因此，织物平台可为靠近终端（h < 6毫米）且在广泛皮肤-衣物位移（w < 11毫米）范围内的无电池表皮传感器实现组网。此外，无线供电和通信性能对传感器或终端旋转引起的方向变化均具有鲁棒性。

图：超材料织物设计与特性分析

表皮传感器设计：

作者团队展示了可配置用于采集心电图（ECG）或光电容积脉搏波（PPG）数据的无线无电池表皮传感器。传感器之间采用蛇形结构相互连接，以贴合人体曲面的拓扑结构，并增强局部变形时的拉伸性，从而适应身体锻炼和日常活动。表皮传感器采用一个尺寸为1.8厘米×3厘米的六匝矩形线圈，从智能手机产生的13.56兆赫信号中获取能量。该13.56兆赫的交变信号经过整流和稳压处理后，为传感器模拟AFE和BLE微控制器分别提供稳定的3.3伏和1.8伏电源。

传感器IC通过I2C通信与微控制器相连。传感器内置的光电二极管利用19位模数转换器对内置发光二极管（红色和红外）从组织反射回来的光线进行采样，以获取PPG信号。该IC的全可配置模拟前端使用18位模数转换器对通过连接到IC的外部电极采集的电信号进行采样，以获取ECG信号。微控制器持续从传感器IC收集生理数据，并通过内置的2.4吉赫天线通过BLE将其传输至智能手机。传输的数据包括每个表皮传感器的唯一标识符，从而支持多节点可扩展网络。用于采集ECG信号的干式铂电极采用从金属化聚酰亚胺薄膜上激光图案化制成（直径18毫米）。超薄电极的可扩展制造工艺使得表皮贴合成为可能，与刚性干电极相比，其信号质量更优。选择干电极是为了避免使用电解质凝胶，因为电解质凝胶在长时间使用后会干燥，从而无法实现长期信号采集。电极采用重复的蛇形图案排列，这种排列方式已被证明能够增强贴合性、拉伸性，并保持不间断的经皮水分流失。

组装好的表皮传感器节点通过透明粘性敷料（3M，Tegaderm）固定在手腕和胸部，分别采集PPG和ECG信号。使用固定在腕带式设备上的加速度计对与常规腕带式PPG设备相关的运动伪影进行了研究。表皮传感器在高加速度事件后能够迅速恢复，并采集到腕带式设备遗漏的心脏搏动事件。此外，与常规设备相比，表皮传感器数据中运动伪影的幅度相对于心脏搏动事件幅度的比值有所降低（为表皮传感器的0.75倍）。固定在胸部的加速度计记录了导致常规设备数据中出现运动伪影的加速度，但表皮传感器数据中未出现。此外，常规ECG设备通过长导线连接到电解质凝胶电极，这些导线会耦合环境电磁噪声，这在信号中清晰可见。尽管12导联配置仍是ECG的金标准，但由于电磁耦合和导线移动引入的噪声，其对可移动受试者的记录并不实用。运动伪影测试将表皮传感器与市售的临床级有导联和无导联ECG技术进行了比较。结果显示，表皮传感器保持了高信噪比，并能够连续准确地采集ECG信号，而其他有导联和无导联技术则受到显著的运动伪影影响。

通过在125赫兹至2千赫的频率范围内进行150小时的生物阻抗测量，对干式铂电极与商用电解质凝胶电极进行了比较。数据显示，常规凝胶电极的平均初始阻抗较低（1.39千欧），但在150小时内阻抗增加了228.7%，达到3.18千欧。而铂电极的平均初始阻抗（8.05千欧）在150小时内降低了9.9%，降至7.25千欧。由于模拟前端的高内阻，较高阻抗的干电极并未表现出采集高保真信号能力的下降。此外，与常规电解质凝胶电极相比，干电极提供了更高的舒适度。将干式铂电极与透明粘性敷料粘合后进行30天的水蒸气透过率测试显示，其水蒸气透过率比常规电解质凝胶电极高出23倍以上。

图：无电池表皮传感器的设计与特性

传感器数据验证：

下图展示了由表皮传感器通过连续无线传输至智能手机所采集的一名健康成年人的典型ECG和PPG信号，同时与使用有线生理监测系统（MP46，BIOPAC）采集的信号进行对比。在饮用咖啡和屏气实验过程中，实验数据与同时使用金标准测量方法采集的数据高度一致。

使用Bland-Altman方法进行的定量比较表明，心率和血氧饱和度的平均差异分别为-0.02 bpm和-0.07%。心率和血氧饱和度的标准差分别为0.5 bpm和0.8%。血氧饱和度的精度均方根为0.81%。这些结果符合FDA为医疗设备设定的监管准则，该准则要求心率误差小于±10%或±5 bpm，反射式血氧饱和度的精度均方根小于3.5%。与一款流行的健身手表——Apple Watch S6相比，表皮传感器展现出更高的精确度。两款设备心率读数的平均差异可忽略不计；然而，与Apple Watch 6相比，表皮传感器的标准差显著更低（平均差异，-0.10 bpm；标准差，2.93 bpm），表明其心率测量结果更加一致和可靠。同样，对于血氧饱和度，与Apple Watch 6相比，表皮传感器的平均差异更小，标准差也更低（平均差异，-0.22%；标准差，1.66%），这证明了其更高的准确性和一致性。这些结果凸显了表皮传感器在健康监测应用中的潜力，因为它不仅符合监管准则，而且在精确度和可靠性方面也优于消费级健身追踪器。

图：表皮传感器网络的验证

连续血压监测及多对象研究：

连续监测BP对于管理高血压及相关心血管疾病至关重要。目前血压评估的标准方法是基于袖带的测量法（血压计测量法），但这种方法存在测量频率受限的问题，因此无法显示短期血压变化。此外，血压计测量法要求受试者在静止测量时保持站立不动，因此无法在活动期间使用。脉搏波传导时间（PTT）是监测血压的另一种方法，它研究心脏产生的压力脉冲沿动脉树传播所需的时间。由于传播时间与流体压力成反比，因此PTT是血压的可靠替代指标。通过测量从四肢采集的ECG数据峰值与PPG数据导数峰值之间的时间间隔，可计算出PTT。这种数据融合方法已用于连续估计SBP，而这是非侵入性方法原本无法实现的。然而，目前的连续SBP监测方法要么依赖电池供电的笨重硬件，要么依赖特定位置的操作，这限制了其在日常活动长期监测中的应用。使用PTT进行血压估计的数据融合算法依赖于这样一个假设，即PTT代表整个血管树中的真实PTT。这一假设只有在从正确同步的ECG和PPG记录中计算出PTT时才成立。在不同时间或存在较大时间延迟的情况下采集这些信号，将得出与心脏产生的压力脉冲实际传播时间不对应的PTT测量值，从而影响血压估计的准确性。

在使用表皮传感器网络在体育锻炼后无线记录的10分钟PTT数据。无线记录的ECG和PPG数据流每5毫秒使用采集的时间戳进行一次同步，以确保准确计算PTT。重要的是，超材料织物的使用确保了稳定的无线连接，从而最大程度地减少了数据包丢失。这种稳定的数据传输直接促成了较短的同步时间。与使用双通道金标准方法同时有线读取ECG和PPG数据相比，无线数据与有线金标准方法的平均差异为0.53毫秒，标准差为5.34毫秒。无线数据与有线金标准方法的比较结果证明了表皮传感器网络在测量PTT以估计SBP方面的准确性和可靠性。

使用比例模型得出的PTT与SBP的线性关系如下：

首先进行了初始校准，以计算该方程中的常数β₀和系数β₁，这涉及将20分钟的PTT数据与使用已验证的消费级设备（HEM-7600T）进行的五次血压计测量结果进行线性回归。与每分钟采集一次的血压计测量结果相比，对一名健康成年志愿者进行2小时的SBP估计数据。通过每半小时重新校准比例模型，可以提高SBP估计的准确性。在这两种情况下，结果在整个测量期间均显示出高度一致性，仅采用初始校准的方法和重复校准的方法的平均差异分别为0.86和1毫米汞柱，标准差分别为3.8和2.55毫米汞柱，这表明了它们的定量有效性。这些结果符合ANSI/AAMI SP10标准对血压袖带标签、安全性和性能的要求。

虽然连续血压的长期监测可为运动和健康监测提供重要见解，但由于传感器硬件笨重且依赖电池供电，此前尚未实现长期且不受位置限制的操作。通过使用超材料织物在日常活动中将表皮传感器与智能手机读取器互联，克服了这一限制。通过在通勤过程中进行多模态监测，证明了表皮传感器网络的移动操作能力，在此过程中，受试者从家中移动到办公室，同时监测心率和血压。与乘坐地铁和班车相比，步行等需要身体活动的状态会导致血压升高。

在6.5小时睡眠期间进行的长期心率、血氧饱和度和血压测量，且未影响受试者的舒适度，确保了测量方式的可靠性。使用Apple Watch S6的内置算法识别睡眠阶段，以了解所监测健康指标的变化。虽然清醒期血压水平会出现峰值，但深度睡眠期SBP会下降至日间SBP的约15%，这与先前针对健康受试者的文献一致。能够在不打扰睡眠的情况下评估夜间血压下降和早晨血压升高尤为重要，因为这些昼夜血压变化是心血管事件的强风险因素。在抗运动伪影实验中，跑步机的速度逐步增加（4、8、10和12公里/小时），随后进入恢复期。以HEM-7600T血压计测量结果作为心率和SBP的参考，分别在休息开始时、跑步结束后和恢复期结束时进行测量，即M1、M2和M3。由于血压计要求受试者站立不动，且在检测到身体活动时会停止测量，因此在运动期间未获取参考数据。从瞬态结果中可以明显看出，随着身体活动水平的增加，血压和心率也呈现上升趋势。虽然血压计仅能记录到跑步后SBP为143毫米汞柱，但根据无袖带方法，以12公里/小时的速度跑步时的实际SBP高达160毫米汞柱。能够评估连续血压尤为重要，因为近期论文表明，运动压力测试中的峰值血压值是预期寿命的指标。研究表明，峰值SBP偏离正常水平会导致因心血管问题而过早死亡的可能性增加。

为了评估所提出的血压估计方法的个体间差异和普适性，对另外五名健康受试者进行了多对象研究。每位参与者都进行了一项受控的骑行方案，旨在通过身体用力引起SBP的自然波动。该方案包括基线休息阶段、三个阻力水平逐渐增加的连续骑行阶段以及一个恢复阶段，以观察SBP向基线水平的回归。这种设置使得能够在单个结构化会话中收集生理多样化的数据集。在实验过程中，使用放置在右臂上的基于袖带的血压计获取参考SBP测量值。要求参与者尽可能保持该手臂静止，以便在骑行期间准确操作袖带。同时，使用表皮传感器系统进行连续SBP估计，每位参与者仅进行一次初始校准。从该校准中得出的回归参数（β₀，β₁）用于SBP估计，标准袖带测量值用橙色矩形表示。Bland-Altman分析总结了估计值与参考SBP值之间的一致性（n = 103次测量）。结果表明，尽管存在通常限制传统基于袖带方法使用的运动，但该系统在参与者之间和动态生理条件下仍保持临床可接受的准确性。这项多对象研究证明了表皮传感器系统在动态条件下的稳健性，并支持其在不同用户中的适用性，强化了其在连续健康监测实际部署中的潜力。

图：日常活动期间的连续多模态测量

小结

作者团队报道了一种无电池、无线的表皮传感器网络，该网络可实现连续、高保真的收缩压监测。从设计上来说，这种轻薄且柔韧的表皮设备具有无电池和贴合人体表面运行的特点，因此在运动过程中具有高度的可靠性，这对于无袖带血压测量至关重要。该传感器网络通过采用双模超材料结构，实现了表皮传感器的高效无线供电与通信，从而能够持续运行。与近场衣物传感器相比，该表皮传感器网络可将传感速率提高两个数量级以上，在具有挑战性的动态环境中实现高数据速率和低延迟传感。通过对健康志愿者进行实验，展示了这些表皮传感器网络的能力，发现其准确性与基于袖带的金标准测量结果相当。作者团队还表明，该系统可用于在各种日常活动（包括通勤、睡眠和运动）期间进行连续、纵向的多模态生物信号跟踪。这种长期记录能力在长期研究中可能很有用，可提供不间断的数据流。

心电图和光电容积脉搏波数据已实现实时处理，但未来的进展可能将基于脉搏波传导时间的血压估计算法直接集成到移动设备中，从而创建实时血压监测系统。未来的研究还可以探索使用定制的近场通信读取器实现闭环功率传输，该读取器可集成在手机固件中，或作为具有自适应传输控制的独立集线器，根据传感器节点的数量及其功率需求动态调整射频输出。这种方法可以提高读取器端的能源效率，并保持传感器的稳定运行。这种多功能网络可用于检测难以诊断的心血管疾病。通过采用保护层等方式进一步提高其耐洗性，还可能开发出可用作筛查工具的传感器网络，这对于包括偏远地区患者在内的服务不足患者群体而言可能具有特殊价值。

参考文献

Selman A. Kurt, Kevin Albert Kasper, Qinghao Xu, et al. A battery-free wireless epidermal sensor network for continuous systolic blood pressure monitoring. Nat Electronics. 2026 Apr 10.

https://www.nature.com/articles/s41928-026-01597-1