仅在美国，每年就有大约 100,000 起交通事故是由困倦或疲劳等人为因素造成的。汽车生物传感器可用于通过提供健康问题的早期检测、阻止疲劳相关的事故以及评估压力和情绪状态来帮助保持安全驾驶。现在已经探索了各种方法来测量汽车环境中疲劳和警觉性的生理标志物，包括电生理学、惯性行为相关和视觉等方式。然而，这些方法难以在动力学环境中可靠且不引人注目地捕获生理标志物，例如在发生大量振动的汽车或航空应用中。电极已被整合到方向盘表面，以获得注意力不集中的电生理标志物，但该方法需要稳定的皮肤接触，这很难实现。或者，在某些情况下使用摄像头的监控方法很有前途，但它们依赖于环境照明，会产生潜在的隐私问题。
无线传感器有可能在车辆环境中提供不显眼的疲劳和注意力检测。它们对环境噪声（例如可变的照明条件）不太敏感，并且可以保护用户隐私。然而，由于运动伪影以及封闭机舱环境中多径反射产生的信号干扰，在包括振动、随机身体运动和多名乘客在内的动力学环境中获取高质量的生理参数仍然比较困难。近日，新加坡国立大学何思远教授与清华大学深圳国际研究生院田曦团队合作报道了一种超材料生物传感器。它可以在动力学环境中捕获心肺信号，而无需与身体直接接触。该生物传感器使用数字刺绣制成，可以与安全带集成，并可以通过无线信号与身体之间的近场交互来检测生理运动。

使用导电线用计算机辅助数字刺绣制造生物传感器，这种柔软的纺织传感器，可以贴合身体，适应用户活动并与现有安全带集成。生物传感器可以连续监测安全带上各个位置的心率 （HR） 和呼吸，包括肩带和腰带，并且对不同的服装材料和厚度都可以保持性能。在航空公司机舱模拟器中测试了刺绣超材料系统对一系列人体活动的检测能力，并验证了其睡眠-觉醒阶段鉴别的能力。生物传感器还可以可靠地提取呼吸和心跳信号，并在具有挑战性的动力学环境中保持准确性。

生物传感器的设计：为了克服相对运动导致的信号减弱现象，利用与身体机械耦合的线束作为基材，集成一种超材料，该超材料可以通过无线信号与身体之间的近场交互实现对生理运动的高度灵敏检测。选择导电线的数字刺绣作为制造策略，因为它能够在几乎任何现有的织物基材上精确产生复杂的周期性图案。这种超材料通过低填充因子并支持小波长表面波的传，由空心梳状形状组成，该结构将无线信号传播为欺骗表面等离子体 （SSP） 极化激元，其波长压缩到自由空间波长的四分之一左右。这些高度受限的近场传感模式提供了针对潜在干扰的鲁棒性，例如驾驶员姿势变化和多乘客杂波。色散关系分析用于设计晶胞的几何参数，以获得 2.4–2.5 GHz 工作频带内所需的表面模式特性。当填充因子 q 从 8 mm 降低到 1 mm 时，2.4 GHz 时的波数β从 0.48π 增加到 0.65π rad cm⁻¹，表示更强的场限制和波长压缩。此外，可以调整填充因子以支持 0.49π 至 0.59π rad cm⁻¹ 的表面模式在不同的纺织基材上应用。
为了实现从超材料结构到 50 Ω共面波导 （CPW） 的高效波矢转换，设计了一个与传统微波连接器兼容的过渡截面。由梯度波纹空心带和扩口接地组成的阻抗匹配过渡，它将传输效率提高了 4 dB 以上，并降低了超材料波导和 CPW 之间的转换损耗。另一方面，超材料生物传感器的传输损耗由纺织品电导率决定，这可以通过填充因子的变化来适应。为了确保与刺绣生产的兼容性并保持亚波长压缩，选择 q = 2 mm 以将传输损耗保持在 0.25 dB cm−1。超材料生物传感器在计算体模型上的全波模拟说明了生物传感器表面的波长压缩和能量限制。这些特性可以增强与身体的无线交互，利用心肺活动引起的组织特性变化来更有效地调节传播阶段，尤其是当生物传感器集成到位于身体前方的安全带中时。传输信号以表面波的形式沿超材料结构传播，并将组织边界和介电特性的变化转化为相位调制。

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