呼吸監(jiān)測(cè)是評(píng)估人體健康狀況的關(guān)鍵手段，能早期預(yù)警感染、心衰、慢阻肺等疾病。然而，傳統(tǒng)呼吸傳感技術(shù)面臨兩大挑戰(zhàn)：人體呼出氣體相對(duì)濕度近100%，水汽會(huì)干擾壓電、電容、摩擦電等傳感機(jī)制的性能，而增加防水封裝層又會(huì)降低靈敏度并影響佩戴舒適性；此外，依賴外部電池供電的傳感器存在壽命短、發(fā)熱及化學(xué)污染等問(wèn)題，制約了可穿戴設(shè)備的長(zhǎng)期應(yīng)用。

加州大學(xué)洛杉磯分校陳軍教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種集成于口罩的自供電磁彈性傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)巨磁彈性效應(yīng)將呼吸氣流轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。單個(gè)傳感器僅重3.2克，信噪比超過(guò)35分貝，響應(yīng)時(shí)間低至80毫秒，可精準(zhǔn)捕捉慢呼吸、快呼吸、咳嗽和噴嚏等模式。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，該系統(tǒng)呼吸模式分類準(zhǔn)確率達(dá)94.03%，并通過(guò)定制化手機(jī)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)診斷與醫(yī)療數(shù)據(jù)共享，為物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的個(gè)性化呼吸管理提供新方案。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工作原理

研究團(tuán)隊(duì)在口罩內(nèi)表面部署了四個(gè)柔性磁彈性傳感器，構(gòu)成空間監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)（圖1b）。每個(gè)傳感器采用雙層結(jié)構(gòu)：磁機(jī)械耦合層（MC層）由含釹鐵硼納米磁體的柔性復(fù)合材料構(gòu)成，磁感應(yīng)層（MI層）為方形銅線圈（圖1c）。當(dāng)呼出氣流壓迫MC層時(shí)，其內(nèi)部微磁體鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生形變（圖1d），引發(fā)磁通密度變化（圖1f），通過(guò)電磁感應(yīng)原理在銅線圈中生成電流。這種基于波動(dòng)鏈模型的巨磁彈性效應(yīng)（圖1e），使傳感器兼具高靈敏度和本征防水特性。整個(gè)系統(tǒng)集成了信號(hào)處理單元、藍(lán)牙模塊及機(jī)器學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)呼吸信號(hào)的無(wú)線采集與實(shí)時(shí)分析（圖1g）。

圖1：用于可穿戴呼吸監(jiān)測(cè)的口罩磁彈性傳感器網(wǎng)絡(luò)概覽 (a) 磁彈性傳感器網(wǎng)絡(luò)附著于口罩的工作機(jī)制示意圖 (b) 口罩磁彈性傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (c) 柔性磁彈性傳感器結(jié)構(gòu) (d) 呼氣時(shí)柔性磁彈性傳感器結(jié)構(gòu)變化示意圖 (e) 展示軟物質(zhì)中巨磁彈性效應(yīng)的波動(dòng)鏈模型 (f) MC層壓縮/未壓縮狀態(tài)下的磁通密度分布圖（比例尺：0.5 cm） (g) 機(jī)器學(xué)習(xí)輔助呼吸傳感與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

傳感器性能優(yōu)化

通過(guò)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，傳感器在單點(diǎn)受壓時(shí)（如角落加載，圖2a）比中心均勻加載（圖2c）產(chǎn)生更顯著的磁通密度不對(duì)稱變化（圖2b,d），靈敏度提升約40%。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步優(yōu)化MC層：當(dāng)微磁體濃度達(dá)70%時(shí)，磁通密度變化達(dá)12.2毫特斯拉（圖2e），同時(shí)材料斷裂伸長(zhǎng)率超550%（圖2f），兼顧機(jī)械柔性與信號(hào)強(qiáng)度。選用20匝銅線圈的MI層后（圖2g），傳感器輸出電壓/電流隨壓力線性增長(zhǎng)（圖2h,i），在6千帕壓力下經(jīng)歷5000次循環(huán)后信號(hào)穩(wěn)定性仍超95%（圖2j）。

圖2：?jiǎn)稳嵝源艔椥詡鞲衅鞯撵`敏度、機(jī)械響應(yīng)及穩(wěn)定性特征 (a) 傳感器單角受力時(shí)的模擬應(yīng)力分布 (b) 傳感器單角受力時(shí)的模擬磁通密度分布 (c) 傳感器中心受力時(shí)的模擬應(yīng)力分布 (d) 傳感器中心受力時(shí)的模擬磁通密度分布 (e) 不同微磁體濃度下的磁彈性響應(yīng)（隨壓力變化的磁通密度） (f) 不同微磁體濃度MC層的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 (g) 不同匝數(shù)柔性線圈在壓縮應(yīng)力下的電流輸出 (h) 不同壓縮應(yīng)力下的開(kāi)路電壓（VOC） (i) 不同壓縮應(yīng)力下的短路電流（ISC） (j) 柔性磁彈性傳感器5000次循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試

呼吸監(jiān)測(cè)實(shí)戰(zhàn)表現(xiàn)

多物理場(chǎng)模擬顯示，口罩在呼吸壓力下呈中心梯度形變（圖3a,b），因此傳感器網(wǎng)絡(luò)布局于口罩內(nèi)表面四角。測(cè)試中，傳感器在1-5赫茲頻率范圍內(nèi)輸出電流隨頻率上升而增強(qiáng)（圖3c），響應(yīng)時(shí)間在3赫茲時(shí)縮短至80毫秒，信噪比達(dá)35分貝（圖3d,e）。在濕潤(rùn)環(huán)境下，電流峰峰值僅波動(dòng)4%（圖3f,g），驗(yàn)證其防水可靠性。實(shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)成功區(qū)分慢呼吸（低頻長(zhǎng)波）、快呼吸（高頻短波）、咳嗽（單峰高幅）和噴嚏（雙峰脈沖）四種模式（圖3h），并量化了口罩內(nèi)呼吸壓力的空間不對(duì)稱分布（圖3i）。

圖3：柔性磁彈性傳感器連續(xù)呼吸監(jiān)測(cè)特性 (a) 呼吸沖擊力與口罩內(nèi)部壓力分布的模擬（用于優(yōu)化傳感器布局） (b) 呼吸壓力與口罩形變的三維模擬（用于傳感器布局優(yōu)化） (c) 不同頻率下傳感器信號(hào)波形 (d) 響應(yīng)時(shí)間隨應(yīng)力頻率的變化關(guān)系 (e) 信噪比隨應(yīng)力頻率的變化關(guān)系 (f) 快速呼吸時(shí)干/濕環(huán)境下的信號(hào)波形對(duì)比 (g) 干/濕環(huán)境輸出電流水平對(duì)比 (h) 傳感器采集的四種呼吸模式波形（左下位置）：慢呼吸、快呼吸、咳嗽、噴嚏 (i) 四種呼吸模式在口罩四個(gè)位置（左下、左上、右下、右上）的信號(hào)幅度差異

智能診斷與系統(tǒng)集成

基于支持向量機(jī)（SVM）的機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)1000余組呼吸信號(hào)進(jìn)行訓(xùn)練（圖4a），在四類呼吸模式識(shí)別中整體準(zhǔn)確率達(dá)94.03%（圖4b）。該系統(tǒng)還能以97.33%準(zhǔn)確率分類呼吸頻率，以86.66%準(zhǔn)確率識(shí)別壓力強(qiáng)度（圖4c,d）。集成定制手機(jī)應(yīng)用"Breathing Smart Manager"后（圖4f），用戶行走、奔跑時(shí)的呼吸狀態(tài)可實(shí)時(shí)可視化（圖4e），數(shù)據(jù)同步云端并支持一鍵分享至醫(yī)療端。

圖4：機(jī)器學(xué)習(xí)輔助口罩磁彈性傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用呼吸監(jiān)測(cè) (a) 呼吸模式分類的機(jī)器學(xué)習(xí)流程：數(shù)據(jù)預(yù)處理→特征提取→模型訓(xùn)練→評(píng)估 (b) 四類呼吸模式在訓(xùn)練集/測(cè)試集的準(zhǔn)確率分布 (c) 五類呼吸頻率識(shí)別的混淆矩陣 (d) 十類呼吸壓力強(qiáng)度的混淆矩陣 (e) 運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景下的呼吸監(jiān)測(cè)示例：1-行走（慢呼吸） 2-奔跑（快呼吸） 3-咳嗽 4-噴嚏（圖中人物為第一作者） (f) 移動(dòng)呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：用戶界面實(shí)時(shí)顯示波形與結(jié)果

總結(jié)與展望

該研究首創(chuàng)的口罩集成磁彈性傳感網(wǎng)絡(luò)，攻克了傳統(tǒng)呼吸監(jiān)測(cè)技術(shù)面臨的水汽干擾、舒適度不足與外部供能限制三大瓶頸。其自供電特性、94%的AI識(shí)別精度及輕量化設(shè)計(jì)（單傳感器3.2克），為居家遠(yuǎn)程醫(yī)療和臨床連續(xù)監(jiān)測(cè)提供了可擴(kuò)展的解決方案。未來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)有望成為物聯(lián)網(wǎng)健康管理的核心組件，推動(dòng)呼吸系統(tǒng)疾病的個(gè)性化防控。

審核編輯 黃宇