Nat Electron：一种用于监测疲劳水平的软磁弹性传感器

       疲劳是一种复杂的状况，其特征是个人心理或身体表现力的下降，疲劳可能由长时间体力活动、睡眠不足、昼夜节律紊乱等一系列因素导致。长期疲劳会导致工作效率下降，生活质量降低，并增加受伤和死亡的风险。因此，对精神疲劳进行有效、实时的评估对于工作效率的提高和个人身体健康都至关重要。目前，测量疲劳的方法包括自我报告的问卷调查、脑电图和一系列成像技术。然而，这些方法通常仅限于实验室环境，限制了其生活场景中的广泛应用。然而，通过眨眼时的一系列参数可以用来分析个人的疲劳程度，为测量个人的疲劳水平开辟了新途径。

本研究报告了一种超薄、超软和超可拉伸的磁弹性（ultrathin，ultrasoft and ultra-stretchable magnetoelastic，3UM）眼睑传感器，该传感器可以实时捕获眨眼参数，并定量解码疲劳水平。该传感器以自供电方式工作，由嵌入微磁铁的硅橡胶基质形成的磁机械耦合（magnetomechanical coupling，MC）层和通过热蒸发和光刻工艺将金线圈加工在热塑性弹性体（Styrene-Ethylene-Butylene-Styrene，SEBS）薄层上的磁感应（magnetic induction，MI）层组成。3UM眼睑传感器将眼动转换为高保真的电信号。该传感器杨氏模量为200kPa，拉伸性高达530%，其响应时间为44ms，压力灵敏度为0.2 µA kPa⁻¹。3UM眼睑传感器能够紧密贴合人体上眼睑组织，并在各种眼动过程中保持紧密接触。该传感器通过一维卷积神经网络（1D-CNN）和聚类算法可以识别微小的眼动，并根据六个眨眼参数将疲劳水平分类，且准确率达到96.4%。该研究为疲劳水平测量的可穿戴传感器开辟了新途径，拓宽了可穿戴电子设备的应用范围。

• 优异机械性能和传感性能：该传感器实现200kPa超低杨氏模量（接近皮肤）和530%超高拉伸性。并具有0.2µA kPa⁻¹的超低压力敏感度。

• 疲劳状态识别准确率：通过六维眨眼参数：闭眼时长、睁眼时长、眨眼时长、重新睁眼延迟、向上峰值幅度、向下峰值幅度，进行评估实现疲劳状态96.4%准确识别。

图1. a 可穿戴眼睑磁弹性传感器的示意图和设计展开图。它具有三个主要集成层：软磁弹性膜、光刻加工金线圈层和封装弹性层。 b 用于信号预处理和传输的定制柔性印刷电路板，其核心模块：用于数据采集和处理的微控制器单元；用于信号放大和滤波的模拟前端；用于数据传输的无线模块；以及脉冲发生器。 c 柔性电极阵列的示意图和展开图，该阵列通过电刺激来缓解疲劳。d，e 在初始状态（d）和压缩状态（e）下，改变MC层磁通密度的磁偶极子排列示意图。 f，g 具有磁弹性效应的传统材料在初始状态（f）和压缩状态（g）下的态密度示意图。h MC层中的每个磁性粒子由于聚合物所受的变形而产生扭矩，这改变了磁通量，进而改变了MI层中线圈中的电流。i，j MI层在初始状态（i）和拉伸状态（j）中导电网络的示意图。k 附着在眼睑区域的用于疲劳监测传感器的使用照片。l MC层的磁滞回线。m 不同磁浓度（30、50和70wt%）的MC层的应力‑应变曲线：n 通过测量磁通密度的变化，在不同微磁体的浓度下，MC层在外加应力时表面杂散磁场的变化。

图2. a 不同传统导电材料的电阻和杨氏模量比较。b 金涂层SEBS在（i）初始、（ii）100%、（iii）200%、（iv）900%拉伸应变下的照片。c 不同柔性导电材料的电气延展性和机械延展性比较。d 不同应变下各种导电材料的相对电阻变化率。e 各种材料低应变区域（0–25%）的相对电阻变化率。f 在眼睑传感器上培养的人成纤维细胞在24小时后存活率超过98%。g 人成纤维细胞在传感器上培养的荧光图。h 阳性对照组 (培养皿中的细胞)荧光图。i 阴性对照组荧光图。j 眼睑传感器在0.25、0.5和0.75Hz 频率下施加压力的灵敏度（电流变化）。k 增加眼睑传感器MC层厚度可以提高信号强度。l 开路电压和短路电流与线圈匝数线性相关。m 通过光刻工艺，金线圈可以精确地加工到SEBS薄膜上。

图3. a，b 眼睑组织在眨眼过程中从闭合（a）到张开（b）时的运动示意图。 c，d 使用眼睑传感器的照片，眼睛闭合（c）和眼睛张开（d）时使用传感器的照片。 e-h 眼睑传感器在初始状态（e）、折叠状态（f）、卷曲状态（g）和褶皱状态（h）下的磁通密度对比图。 i，j 眼睑传感器放置在上眼睑（i）或下眼睑（j）捕捉的电信号。k 用于对眼睑传感器捕获的眼动信号进行时间序列分类的1D‑CNN架构。l 针对受试者上睑所采集信号生成的验证集，其混淆矩阵显示整体分类准确率为 94%。

图4. a 眼睑传感器记录的眨眼信号以及参数的示意图。b 实验方案：5个连续的任务阶段，每个阶段持续15分钟，总共75分钟。一种经典的实验范式，用来诱发受试者的心理疲劳。c 脉冲发生器模块产生的电刺激。d-i 从每个Q阶段收集的疲劳指标：眨眼持续时间（d）、闭眼持续时间（e）、重新睁眼的延迟（f）、睁眼持续时间（g）、向上峰值幅度（h）和向下峰值幅度（i）。 j 疲劳评估的数据分析过程。k 圆形树状图说明每个层次水平上簇的形成。l 聚类结果的散点图。m，n PCA₁（ m ）和 PCA₂（ n ）空间内的聚类结果散点图。

本研究提出了一种眼睑磁弹性传感器，可以持续监测眼动并定量评估疲劳程度。该传感器由磁机械耦合层和磁感应层关键结构组成，3UM眼睑传感器具有优异的机械性能的，其杨氏模量为200kPa，拉伸性高达530%，在测试频率为0.75Hz时，压力灵敏度为0.2µA kPa⁻¹。其薄膜结构可紧密贴合人体上眼睑组织上面，以精确监测各种眼动。该传感器可以根据眨眼各项参数分析，将疲劳程度分为不同等级，准确率达到96.4%。此外，该传感器被可集成到疲劳管理系统中，可以通过施加电流脉冲来干预以减轻个人的疲劳程度。该传感器可用于神经学、虚拟现实和工作场景的疲劳监测等领域，有望推动了可穿戴健康监测技术的发展与进步。

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