优化应力传递界面的可穿戴纳米电子设备用于驾驶疲劳监测

更聪明的安全带来监听你的脉搏

长时间驾驶可能在几秒钟内变得危险——比如驾驶者突然打盹或出现隐匿的心脏问题。本文介绍了一种新型超灵敏的腕戴传感器，能“听到”手腕中微弱的脉搏波，即便表带较紧且有人在移动。结合简单的电子电路和机器学习，它旨在在灾难发生前向驾驶员发出疲劳或心脏异常的警报。

为什么读取脉搏如此困难

当今许多可穿戴设备通过光学方式追踪心率，但它们难以测量心脏的受力情况或动脉的硬度。能够感知血管中微弱搏动的机械传感器能揭示更丰富的信息，例如血压趋势和血管弹性。问题在于脉搏信号极其微弱，而现实使用需要紧贴皮肤的表带或贴片将传感器压入皮肤。这个预加压力以及皮肤与平坦传感器之间存在的微小空隙，常常压制传感器捕捉每一道脉搏波的细微振动的能力。

塑造皮肤与传感器之间的接触

研究人员通过重新设计应力从皮肤传入电子器件的方式来解决这一问题。他们的器件称为界面工程摩擦电传感器（IETS），由两类层叠结构组成。在贴近皮肤的一侧，一片由微小柱状“压电截头锥（piezo-frustums）”组成的森林填补了手腕的自然凹陷和曲面，使即使是凹陷处也能被牢固压迫到传感器上。这些柱状结构不仅将机械压力引导进入器件，在受压时还会产生额外的电荷。在内部，接触面被刻制成重复的山峰状而非简单的圆锥或平面薄膜。这些双峰将应力集中到小区域，使得即便是微弱的脉搏也能产生明显的电学响应，而且该结构在紧绷的表带下能保持平滑变形，而不是迅速被压平。

从激光切割的微峰到真实世界的灵敏度

为制造这些非同寻常的表面，团队使用二氧化碳激光在塑料模具上刻出图案。由于激光热量呈平滑的钟形分布，自然形成可通过调节功率来控制尺寸的锥形空腔。通过略微重叠两处刻蚀点，他们创造出双峰的山状形态。将软硅胶浇铸到这些模具中即可得到布满均匀微山峰的柔性层。试验与计算机模拟表明，在相同压力下，这种双峰比标准圆锥变形更多，并在更宽的压力范围内保持响应性。结合皮肤侧的柱状结构，完整的IETS能够检测到微小到几毫克砂纸重量或单个水滴累积产生的压力，即便在有恒定背景载荷的情况下也能做到。

将脉搏波转化为警报

传感器集成在表带中并连接到柔性电路板后，可以把每一次脉搏转为电信号，随后对信号进行放大、滤波，并通过蓝牙发送到智能手机。所得波形清晰呈现典型动脉脉搏的三大峰，使系统能够提取与血压、血流速度和动脉硬度相关的时序特征。通过检查搏动间时间的变化——心率变异性，设备可以区分警觉与疲劳状态。团队使用一维卷积神经网络对短时片段的脉搏数据进行分类，在近实时下对驾驶行为和疲劳程度都取得了较高的识别准确率。

观察整个驾驶者，而非仅仅手腕

由于传感器在从非常低到很高的压力范围内都保持灵敏，它不仅可以放置于手腕。作者演示了在面部捕捉眨眼和打哈欠变化、在踏板上检测急刹或加速、以及在座椅和安全带上感知驾驶者是否正确就座并系好安全带的应用场景。在这些情境中，同一基本器件能够拾取从轻微眼部运动到人体整体重量的广泛信号，且在数千次循环后仍不失真或磨损。

这对日常安全意味着什么

对非专业读者而言，核心信息很简单：通过巧妙设计皮肤与传感器之间的微小接触结构，作者制造出一款即便在日常佩戴所需的紧贴状态下亦能高精度感知脉搏的腕带。这种工程化界面提高了灵敏度并拓宽了有效压力范围，将微弱的手腕脉搏转化为强烈、可靠的电信号。当这些信号与智能算法结合时，系统能够追踪心血管健康并及早识别驾驶疲劳，从而提醒用户并可能预防事故，使未来的汽车和可穿戴设备在关注我们的身体方面更安全、更周到。

引用: 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

关键词: 可穿戴脉搏传感器, 驾驶员疲劳监测, 摩擦电纳米发电机, 心血管健康追踪, 智能手表健康技术