中国团队在电磁超表面传感器领域取得新进展

疲劳驾驶引起的交通事故每年正造成着我国数万人死亡或重伤，在驾驶环境中对用户生理状态进行持续监测将对提升交通安全具有重要作用。传统的车载传感技术在高动态的座舱环境中存在着数据精准度、抗干扰能力、佩戴舒适度、隐私性等方面的缺陷。因此，研发一种能在高动态环境中实现可靠且持续生理状态监测的传感器尤为重要，而无线传感技术与柔性可穿戴技术的结合为此提供了新的解决方案。

近日，清华大学深圳国际研究生院数据与信息研究院田曦团队与新加坡国立大学何思远（John S. Ho）团队合作，报道了一种基于电磁超表面的生理监测传感器，实现了在飞机和汽车等动态环境中高灵敏度、抗干扰、非接触式的生理状态监测。

电磁超表面传感器采用人工表面等离激元结构，支持高压缩表面电磁波的传输，相较于传统无线传感技术，能实现更高灵敏度和抗干扰能力的局部传感（图1）。通过开发的数字刺绣技术，该传感器可被无缝集成到安全带中，通过引导并增强无线信号与身体的交互作用，能透过衣物捕捉人体细微的生理运动。

图1.非接触式超表面传感器

同时，超表面生物传感器能被布置在安全带的多个位置，包括肩和腰部，且不受衣物材料和厚度的影响（图2）。各处传感器的表征数据均显示与参考信号优秀的一致性，相关性均高于0.9，心率标准差错误低于3 bpm。

图2.传感器位于不同位置的生理状态监测

使用该超表面传感器，可在飞机机舱中进行日常活动的生理监测（图3）。在有身体运动和背景噪声干扰的动态环境中，传感器仍能可靠地捕捉到呼吸和心跳信号。同时针对飞行中睡眠监测的需求，团队验证了该传感器在不同的身体姿态中捕捉生理信号的能力，包括仰卧、俯卧和左右侧卧，结果显示中位心跳间隔（IBI）误差仅为15毫秒。

图3.连续生理参数监测

超表面传感器的连续生理监测能力在实际车载环境中得到了进一步验证（图4）。尽管车辆环境中存在较大的振动噪声干扰，但是该超表面传感器仍能有效采集到各类生理信号。

图4.驾驶环境中生理状态参数监测

相关研究成果以“用于动态环境的数字化刺绣超表面生物传感器”（A digitally embroidered metamaterial biosensor for kinetic environments）为题，于10月17日发表于《自然·电子》（Nature Electronics）。