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以DNA双螺旋结构为灵感,港城大团队研发柔性脉搏压阻传感器,耐用性达6000次循环

 2 years ago
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麻省理工科技评论-以DNA双螺旋结构为灵感,港城大团队研发柔性脉搏压阻传感器,耐用性达6000次循环

以DNA双螺旋结构为灵感,港城大团队研发柔性脉搏压阻传感器,耐用性达6000次循环
“我们从前做纺织品时,从未考虑过双股线和自然界的关系,完全是从实用角度去研发技术。但是,DNA 双螺旋的结构在纺织上使用了几千年,人类到现在还是广泛使用它,可能将来也不会改变它,而这也让我们感受到了自
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“我们从前做纺织品时,从未考虑过双股线和自然界的关系,完全是从实用角度去研发技术。但是,DNA 双螺旋的结构在纺织上使用了几千年,人类到现在还是广泛使用它,可能将来也不会改变它,而这也让我们感受到了自然界的奇妙和它在纺织领域的映射。”将纺织双股线和 DNA 双螺旋结构“结合”在一起,是香港城市大学生物医学工程系教授胡金莲的近期新发现。

图 | 胡金莲(来源:胡金莲)

近日,该团队在 Advanced Materials 发表了一篇论文,题为《用于表皮脉冲监测的具有类似 DNA 的双螺旋线的超快速反应/恢复柔性压阻式传感器》(Ultrafast-Response/Recovery Flexible Piezoresistive Sensors with DNA-Like Double Helix Yarns for Epidermal Pulse Monitoring)。

图 | 相关论文(来源:Advanced Materials)

在纺织上,双股线十分常见,同时也是基本结构之一。在研究过程中,胡金莲发现双股线的结构非常好用。后来他们联想到,该结构跟 DNA 是一样的。研究中,他们主要达成了如下两个目标:其一,解决了纺织材料应用于压力传感器的恢复滞后性;其二,开发了在中医号脉等场景下所需要的压力传感器。

(来源:Advanced Materials)

一个“说来话长”的研究

香港城市大学生物医学工程讲座教授张元亭是胡金莲的同事,也是做血压测定和心血管方面的专家。更早之前,他在香港中文大学工作,双方有时会一起参会。

现在,张元亭在香港科技园有很大的一个中心,政府拨款了几个亿,专门开发与心血管有关的实时监控设备。对方拉上胡金莲一起合作,期间后者派出一名学生去了解张元亭课题组希望解决的问题。获知他们需要测量血压的压力传感器,胡金莲和学生做出几个版本,其中有一个版本的相关论文,在几年前就已发表。

由于是学习纺织出身,因此她主要通过设计织物结构,来实现传感器的性能。后来,她找到一种纱线,测试了单根、双根、四股等不同的构型,结果发现两股交织的性能最好,于是就用它来做压力传感器。

这种传感器主要有两个优势:首先,在号脉时脉搏是上下不断跳动的,而且它的跳动的次数很频繁,这导致材料会经历变形-恢复-变形的循环,利用双股线制备的传感器几乎没有滞后性,这说明它的恢复能力非常强。另外,由于号脉的力度不是很大,因此必须把传感器的响应控制在力的范围内,这样它的效果才会比较明显,否则传感器的性能和滞后性都会发生变化。总之,这种传感器在测量脉搏时是准确的,没有滞后性、并且可重复性较为突出。

(来源:Advanced Materials)

学生正在孵化相关公司

胡金莲表示,本次应用主要和身体有关,将来也有望用在机器人上。可穿戴设备最大的要求,是要和皮肤贴合或者符合人的生理结构。首先,它要容易变形,因为身体都是不规则的。其次,它需要特别柔软。要知道,我们皮肤上有很多的传感器,稍微不匹配就容易让人感觉不舒服。

以前,人们可能会用一个硬的光电器件放在皮肤上,然后收集数据进行处理,这肯定是不符合身体需求的。后来出现了柔性设备,它基本上是可以弯曲的。但这仍然不够,于是又出现了可伸缩材料。而纺织品可以适应多种形变,包括拉伸、弯曲、剪切,因此是研发可穿戴设备理想型材料。

(来源:Advanced Materials)

在后续计划上,目前香港城市大学已经成立了一个基金,胡金莲的学生也在成立公司。不过,他们只是做了一个传感器,如果要做真正可应用的器件,还需要更加全面的研究。比如,需要添加可靠的电极,把信号抽取出来进行处理,做以参数化之后再进行显现。由于该项目是香港城市大学 HK300 的创新项目,不允许老师做主要负责人,所以胡金莲只是作为顾问和股东,具体是学生去操作。

“一条龙”地做研究

据悉,胡金莲是湖北人,28 年前来到香港。在内地读完硕士之后也进入社会工作过,之后获得中英合作技术奖学金,被公派到英国去留学。拿到博士学位之后,她回到国内工作,先是在香港理工大学工作,后来到香港城市大学。目前团队大概 30 人。

学生时代学习纺织,并非源于常人想象的“女孩子可能更热爱纺织”的常见理由。相反她说在读本科时,对纺织实在是没有什么感觉,而是更喜欢科学。读大学时,适逢“十年动乱”刚过去没多久,条件也比较欠缺。学习纺织工程时,很多机器结构她都没见过。而在听课时,她觉得这些东西都是人规定的,因为那时主要学习怎么织布、学习机器的结构,以及设计原理和功能制造,所以她认为有点儿浪费时间。

后来读硕士时,她选择了纺织材料学,因为纺织材料学和科学更加接近。彼时,纺织材料学是一个相对特殊的专业,而来到东华大学读硕士时(当时叫中国纺织大学),刚好有这个专业。在纺织专业中,她没学过工程类的知识,所以很难理解和推导。

但是对于纺织材料学,她可以通过阅读相关的书,去了解其中的内涵。学了一个定理就可以推出其它东西,而不需要研究那些机器。后来因为胡金莲是外校考进去的,学校就把她调剂到纺织产品,这是纺织工程和纺织材料结合的一个专业。之后,她到英国去留学,也延续了这方面的研究。毕业后入职香港理工大学,一开始教授纺织工程的课程,但是她做的科研几乎全部都是材料方面的。

从纤维、到布、到服装,后来她又进一步往材料方向转,后又开始做高分子材料的合成。此外,香港理工大学有纺织系,因此从纺织材料、到服装、再到销售都是她的教学科研范畴。她说:“从高分子材料的合成,再到纺织成品的性能,我都是‘一条龙地’地做,这种经历是非常独特的,一般人是没有的。”

同时,这也和香港的商业环境有关,当时她想做功能性智慧织物,这种材料在香港很有市场,相关公司也有很多。收到公司资助之后,她就可以去香港政府申请大项目,这种项目往往是从材料设计、到合成加工、再做成纺织品。做了几轮大项目,也让她和公司合作得特别得心应手,公司也特别喜欢她。

胡金莲表示:“我没有把自己当作是一个女性教授,或者有什么劣势和优势,我没考虑过这个问题。基本上是该做什么就做什么,不卑不亢的。最重要的是,我对研究背景的上下游都很了解,并且可以把它们从头到尾有机地结合起来。”

比如,要开发一个产品,首先得了解产品的要求。这时,胡金莲会实事求是地去找出问题,进而寻找解决方法。她说:“这些解决方法并不受纺织或高分子材料的限制,只要是我认为能解决问题的学问,包括纳米科技和生物医学最前沿的东西,我都愿意去学。”

目前,她有 50 个专利授权、30 多个在申请专利。在香港,她是较早去申请专利的老师。1994 年,当时香港的科研活动并不多。作为来得比较早的一批学者,她很活跃并做了一些开拓性工作。比如,当时在大学里并没有老师去申请专利,相关的配套服务也没有。后来在她的努力下,学校开始建立知识产权办公室,甚至有副校长专门负责。她说:“我见证了这一过程,也是最早参与的,同时还推动了香港理工大学和香港城市大学在专利方面的发展。”

不久之后有望收到商业回报

目前,胡金莲在香港城大拥有一个可穿戴医疗健康材料中心,研究方向包括服装材料和纺织材料等。具体来说有三个方向:第一个方向是中医和能量疗法,包括针灸和刮痧,电磁光等;第二个方向是蜘蛛丝仿生及其应用,第三个方向是稚嫩材料特别是服装及生物材料。

“材料是我们的强项,”她说,“在做能量和中医疗法时,也会从材料出发。例如,刮痧板到底是用牛角好?还是用陶瓷好?借此我们也能研究材料和生物体之间的相互作用。”

在产业孵化上,她表示:“我来香港城市大学有两年了,组里学生拿到了三个商业化的项目包括一个天使基金,除了香港城市大学的资助之外,我们也拿到了香港科技园资助的两个项目。此外,我在香港理工大学也有一个项目,这些项目都在孵化中,可能马上会有一定的效果和商业回报。”

-End-

支持:大义

1、Chen, J., Zhang, J., Hu, J., Luo, N., Sun, F., Venkatesan, H., ... & Zhang, Y. (2022). Ultrafast‐Response/Recovery Flexible Piezoresistive Sensors with DNA‐Like Double Helix Yarns for Epidermal Pulse Monitoring. Advanced Materials, 34(2), 2104313.


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