Оптимизированные интерфейсы передачи напряжения обеспечивают носимую наноэлектронику для мониторинга усталости водителя

Умнее ремни безопасности для вашего пульса

Долгая поездка может стать опасной за считанные секунды, если водитель вдруг задремлет или у него возникнет скрытая проблема с сердцем. В этой работе представлен новый сверхчувствительный наручный датчик, который «слушает» крошечные пульсовые волны на запястье даже при тугом ремешке и во время движения. В сочетании с простой электроникой и методами машинного обучения он предназначен для предупреждения водителя об усталости и сердечных неполадках до того, как произойдет беда.

Почему так трудно читать пульс

Многие современные носимые устройства отслеживают частоту сердечных сокращений с помощью света, но им трудно оценить, насколько интенсивно работает сердце или насколько жесткие артерии. Механические датчики, фиксирующие легкие удары крови в артериях, могут дать более богатую информацию — например, тенденции артериального давления и эластичность сосудов. Проблема в том, что эти пульсовые сигналы крайне слабы, а реальное использование требует плотного ремешка или пластыра, прижавшего датчик к коже. Это предварительное давление, вместе с мелкими зазорами между кожей и плоским датчиком, часто подавляет способность сенсора заметить тонкое мерцание каждой пульсовой волны.

Формирование контакта между кожей и датчиком

Исследователи подошли к этой проблеме по-новому, переосмыслив путь передачи напряжения от кожи к электронике. Их устройство, названное интерфейсно-инженерным трибоэлектрическим сенсором (IETS), состоит из двух типов слоев. С кожной стороны «лес» из крошечных столбиков — так называемых пьезо-фрустумов — заполняет естественные впадины и изгибы запястья, так что даже углубленные участки плотно прижимаются к датчику. Эти столбики не только направляют механическое давление в устройство, но и при сжатии создают дополнительный электрический заряд. С внутренней стороны контактная поверхность вылеплена в повторяющиеся горообразные пики, а не в простые конусы или плоские пленки. Эти двойные вершины фокусируют напряжение в небольших областях, так что даже слабые пульсы вызывают четкий электрический отклик, а структура деформируется плавно и не распрямляется мгновенно под тугим ремешком.

От лазерно-вырезанных микровершин к чувствительности в реальном мире

Для изготовления таких необычных поверхностей команда использовала углекислотный лазер для вырезания узоров в пластиковых формах. Поскольку тепловой профиль лазера имеет плавную колоколообразную форму, он естественным образом формирует конические полости, размеры которых можно настроить изменением мощности. Немного перекрыв два точечных штриха лазера, исследователи получили двойные пики, напоминающие горные хребты. Заливка мягкого силикона в эти формы дала гибкие слои с равномерно распределенными микрогорками. Испытания и компьютерное моделирование показали, что при одинаковом давлении эти двойные вершины деформируются сильнее, чем стандартные конусы, и сохраняют чувствительность на более широком диапазоне давлений. В сочетании со столбиками со стороны кожи полноценный IETS мог обнаруживать давления порядка веса нескольких миллиграммов наждачной бумаги или накопление отдельных капель воды, даже находясь под постоянной фоновой нагрузкой.

Преобразование пульсовых волн в предупреждения

Встроенный в ремешок часов и подключенный к гибкой печатной плате, сенсор преобразует каждый удар пульса в электрический сигнал, который затем усиливается, фильтруется и передается по Bluetooth на смартфон. Получаемые формы волн четко показывают три основных пика типичной артериальной волны, что позволяет системе выделять временные параметры, связанные с кровяным давлением, скоростью кровотока и жесткостью артерий. Анализируя вариации в интервалах между ударами — вариабельность сердечного ритма — устройство может различать бодрствующее и уставшее состояния. Команда использовала одномерную сверточную нейронную сеть для классификации коротких отрезков пульсовых данных, добившись высокой точности в идентификации как поведения водителя, так и уровня усталости в режиме, близком к реальному времени.

Наблюдая за водителем целиком, а не только за запястьем

Благодаря сохранению чувствительности при очень низких и очень высоких давлениях, датчик можно размещать не только на запястье. Авторы продемонстрировали применение на лице для фиксации изменений в моргании и зевании, на педалях для обнаружения резкого торможения или ускорения, а также в сиденье и ремне безопасности для определения того, правильно ли водитель сидит и пристегнут. Во всех этих сценариях одно и то же базовое устройство могло улавливать все — от тонких движений глаз до полного веса человека — без потери качества сигнала и без износа в течение тысяч циклов.

Что это значит для повседневной безопасности

Для неспециалиста основная мысль проста: за счет продуманной формы крошечных контактных структур между кожей и датчиком авторы создали браслет, который может с большой точностью «ощущать» ваш пульс даже при плотной посадке, необходимой для повседневного ношения. Этот инженерный интерфейс повышает чувствительность и расширяет полезный диапазон давлений, превращая едва заметные пульсовые колебания в сильные, надежные электрические сигналы. В сочетании с умными алгоритмами система может отслеживать состояние сердечно-сосудистой системы и обнаруживать усталость водителя достаточно рано, чтобы предупредить пользователя — и потенциально предотвратить аварии — делая будущие автомобили и носимые устройства более безопасными и внимательными к нашему телу.

Цитирование: Lei, H., Xie, L., Qin, X. et al. Optimized stress transfer interfaces enabled wearable nano-electronics for fatigue driving monitoring. Microsyst Nanoeng 12, 94 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-025-01107-x

Ключевые слова: носимый датчик пульса, мониторинг усталости водителя, трибоэлектрический наногенератор, отслеживание сердечно-сосудистого здоровья, технологии здоровья в умных часах