新型超材料传感器：无接触监测驾驶员健康！

  生物传感器是集成先进传感技术的一种设备，因其在医疗健康监测、环境监视测定及汽车安全等领域的广泛应用而受到关注。在汽车领域，生物传感器能够监测驾驶员的警觉性、检测失能和评估压力水平，帮助降低因人类因素（如疲劳或嗜睡）引发的交通事故。然而，与传统的生物传感器相比，许多现存技术在动能环境中（如汽车行驶时）捕捉生理信号时，受到振动和干扰的挑战，这使得无接触测量生物标志物（如心率和呼吸）变得困难。这一挑战制约了生物传感器在汽车安全和健康监测中的应用。

  为了解决这样一些问题，清华大学深圳国际研究生院田曦助理教授、新加坡国立大学何思远（John S. Ho）副教授团队携手设计并制备了一种新型的超材料生物传感器，该传感器能够在动能环境中实现无接触测量。利用数字刺绣技术，这种生物传感器被集成在安全带中，并可以通过无线信号与人体的近场交互来捕捉微小的生理运动，明显提升了在汽车等运动环境下的监测能力。研究表明，该传感器在航空客舱模拟器和实际驾驶环境中表现出良好的稳定性，能够准确捕获心率和呼吸信号，并保持与静态环境中相似的精确度。这一成果为汽车安全系统的智能化和人机交互提供了新的可能性，为未来汽车安全监测和司机健康管理的发展奠定了基础。

  表征解读】本文通过电磁仿真软件（CST Studio Suite 2020.07）对数字刺绣的顺应性超材料生物传感器进行了深入的表征，揭示了其在与生理运动的电磁场相互作用中表现出的优异性能。研究针对生理信号监测的复杂现象，通过解析超材料结构的几何参数，得到了支持表面等离子体（SSP）模式的色散关系，从而挖掘了超材料结构对生理信号监测的影响机制。

  在具体表征过程中，研究者采用了有限元法对超材料生物传感器的电场分布进行了模拟，利用单位胞的周期性边界条件获取了色散曲线，并结合不同基底材料的介电常数（如毡、棉、聚酯和帆布）进行深入分析。这一过程为理解超材料在不同环境下的性能变化提供了重要数据。此外，通过对传输效率的研究，验证了渐变波导设计对电磁波导引的有效性，确保了信号的高效传输。

  在生理信号的实时监测中，本文结合了软件定义无线电（SDR）和生理数据采集系统，以实时捕捉人体的生理变化。通过复杂多普勒信号的生成和相位解调，成功提取了反映心率和呼吸变化的信号。在实验室模拟的航空舱环境中，传感器显示出对动态日常活动（如说话、饮水和手机互动）的高度敏感性，进一步验证了其在各种生活场景下的适用性。

  为进一步探讨超材料生物传感器的工作机理，研究还对不同传感器（如微带线、凹槽传感器和SSP波导）的灵敏度进行了比较。通过在座椅安全带中整合这些传感器，实验表明在相同输入功率下，超材料生物传感器能够从SDR输出中获得更强的心跳信号，噪声水平则通过在基本心跳频率和直流分量之外的总功率估计得出。这一发现为优化传感器设计和提升生理监测精度奠定了基础。

  在连续睡眠监测中，本文通过与智能手表数据的对比，建立了一种基于心率和身体活动指标的二元分类模型，从而有效地对参与者的睡眠状态进行实时监测与评估。该模型通过对收集到的生理信号进行VMD算法处理，提取出与心率和呼吸频率相关的信息，为未来的睡眠监测设备设计提供了理论依据。

  此外，研究还在实际驾驶环境中验证了超材料生物传感器的性能。通过将传感器集成在跨身体安全带中，并与SDR相连，在真实的低交通量停车场中进行了数据记录。实验根据结果得出，该传感器能够在车辆行驶过程中有效监测驾驶员的生理信号，并捕捉到与驾驶行为相关的生理变化。

  总之，经过电磁仿真、信号处理和现场实验等多种表征手段，本文深入分析了超材料生物传感器在生理信号监测中的表现与机制，进而推动了新型生物材料的制备。这一成果不仅为生理监测技术的发展提供了新的思路，也为未来在健康监测和人机交互领域的应用奠定了基础。

  结论展望】超材料生物传感器的设计与优化展现了电磁仿真在实际应用中的潜力，强调了通过多学科交叉方法解决复杂生理信号监测问题的有效性。其次，通过将传统传感器与先进的电磁波导技术相结合，不仅提升了信号的传输效率，还明显提高了传感器的灵敏度和适应性。这一创新为未来可穿戴设备的开发提供了新的方向，使其能够在各种动态环境下实现更准确的生理监测。

  此外，研究中的实时数据分析与智能算法应用，显示了数据处理技术在生理信号解读中的重要性。通过优化信号提取与处理流程，未来的监测设备可以在一定程度上完成更加智能化和个性化的健康管理。