先进的生物电子交互设备在检测和测量人体生理信号领域展现出巨大的前景。研究人员已经开发了基于不同传感机制的可穿戴或植入式柔性振动传感器，用于准确采集人体运动中与振动相关的生理数据。然而，这些传感器常常受到运动伪影和环境噪声的干扰。在信号处理过程中，通常需要通过算法消除噪声，但后端信号处理可能导致信号的部分失真和延迟。在蜘蛛的缝隙振动感受器官和带有角质层垫的阻尼结构的启发下，中国科学院福建物质结构研究所的官轮辉研究员团队提出了一种新颖的仿生振动传感系统。基于蜘蛛跗骨裂纹结构设计的振动传感器表现出极高的灵敏度和准确的振动感知能力，而凝胶阻尼器能够有效地减弱外部伪影和噪声对振动信号的影响，确保更清晰、更可靠的信号采集。这一传感系统展示了一种有效的物理方法，用于提高信号的质量和抗干扰能力，在声学分析和语音研究中具有巨大的应用潜力。

  蜘蛛的腿上有专门的感觉器官，称为狭缝器官，它参与了振动和空气运动的检测。裂缝的几何形状通过使机械性顺应性成为可能，从而允许对为狭缝在其周围环境中对振动作出响应的小变形进行敏感识别。除了它们敏感的为狭缝器官外，蜘蛛还有一个独特的阻尼系统，包括角质垫，它在蜘蛛的生存和捕猎策略中起着至关重要的作用。蜘蛛振动感受器中的角质垫具有阻尼和吸震特性，使蜘蛛能够在有风和雨的条件下检测由猎物引起的小振动信号。通过裂缝状的为狭缝器官对高精度振动信号的获取以及通过粘弹性角蛋白层对选择性频率过滤，蜘蛛能够从环境中的固有噪音中区分和识别目标振动特征，实现物理过滤效果。裂缝器官与带有角质垫的阻尼结构的结合赋予了蜘蛛一种精致而精密调节的感觉系统。许多研究人员一直关注蜘蛛生物感觉系统的潜力，这使得它们能够进行广泛而高灵敏的振动检测。具体而言，蜘蛛狭缝启发的传感器有助于实现超高灵敏度。此外，用于底物的固有可拉伸弹性材料改善了其滞后、响应时间和感知范围。尽管近年来通过引入裂缝结构在超高灵敏蜘蛛仿生传感器方面取得了进展，但很少有研究关注如何提高其阻尼能力，以隔离或消除与目标无关的信号引起的干扰。凝胶阻尼表现出类似于蜘蛛角质的粘弹性。凝胶阻尼指的是在传感器系统中利用凝胶材料来减轻或抑制信号中的干扰和噪音。通过利用凝胶的粘弹性特性，这种方法可以有效地减弱外部干扰，减少非期望的振动或振荡。

图2. 结构表征及界面稳定性测试

图3.裂纹传感器的静态和动态电机械响应性能

图4. 阻尼性能及其在生物电子学中的相关应用

图5. 阻尼集成传感系统的测试及应用

  蜘蛛启发的凝胶阻尼材料有助于保持传感器的稳定性和可靠性。此外，凝胶阻尼提供了一定程度的隔离环境的作用，最小化了外部因素对信号获取的影响。它阻碍了外部运动伪迹和低频机械噪音的传递，从而提高了获取信号的纯度和可靠性。如图5j所示，将集成阻尼传感器贴在男性的颈部后，获取了一个发音“你好”的声音信号。集成传感器的声学信号波形在发声和松弛期之间显示出明显的差异。由阻尼集成传感器收集的信号呈现出语音信号的典型特征，与具有较大幅度的表皮运动不同。通过采用快速傅立叶变换（FFT），具有凝胶阻尼器的裂缝传感器的频谱图在语音信号与表皮运动或呼吸信号之间表现出相对明显的分离。声音信号的主要频率主要集中在80到200Hz的范围内，低频干扰振动信号得到了显著减弱。

  该研究以题为“Physiological Sensing System Integrated with Vibration Sensor and Frequency Gel Dampers Inspired by Spider”的论文发表在《Materials Horizons》上。文章第一作者是中国科学院福建物构所黄建仁博士。通讯作者为中国科学院福建物构所的官轮辉研究员。该工作得到国家自然科学基金的资助。福建省肿瘤医院放射生物学研究室林贤东博士为本工作提供了大力支持。

  论文链接：https://doi.org/10.1039/D3MH01719B

  官轮辉研究员课题组网站：https://www.x-mol.com/groups/Guan_lunhui