可拉伸应变传感器对于可穿戴电子产品、假肢和软体机器人等各种应用至关重要，但目前此类传感器主要依赖于可变形导电材料，如橡胶等柔性材料，经过重复使用后，这些材料的特性可能发生不可逆的变化，进而导致变形检测数据不准。

因此制造一种能够大幅度拉伸、快速响应、即使在测量大的动态变形时也能提供精确读数的传感器，是一个极大挑战。而就在最新一起的《科学进展》杂志上，美国南加州大学的研究团队展示了一种新的可拉伸应变传感器结构，有望解决这一难题。

生命体征数据被大众忽视

目前，当前医院最普遍的检查方法是采用心电图机（ECG）检查患者的心脏功能，但监测时间比较短。很多早期的心脏疾病几乎没有明显的症状，大部分人都很难察觉到。 多数人在发病之前没有任何明显症状，但是却会突然发病，甚至猝死。

心血管疾病并不像普通病症那样一直表现出症状。有很多患者的病症表现是轻微、断断续续而难以辨别的，有些人可能几年才会表现出一次症状。甚至有些患者在经历了挂号、排队等候，最后到了心电图检查环节的时候，原本难受的心脏却突然听话了起来，心电图结果没有什么异常。

在医院问诊时，医生通常检查患者的4种生命体征：心率、血压、呼吸率和体温。这些检查听上去很简单，甚至大部分人觉得没有必要，以至于常常被忽视。新泽西溪谷医院的心脏病专家Suneet Mittal博士介绍，每年检查这些生命体征1次或2次通常不够，容易导致医生根据“错误时间得到的错误数据”做出医疗决策。大部分消费类电子设备通常是五分钟或十分钟测一次，只记录短短30S的数据。这种间歇性数据只能作为心率的日常测量，并不具备太多的医学参考价值。

每分钟心脏跳动的次数就是心率，心率是最直接反映我们心脏健康的标志。心脏是血液泵出的动力，也是各器官系统以及整个身体正常运行的保证。所谓心率的连续监测是指在连续的一段时间内，对心率进行准确的监测。

由于心脏疾病的复杂性，多次检查以排除干扰因素是非常必要的。除了到医院检查，对于心血管疾病高风险人群，长期持续监测心率可建立预防的第一道防线。通过连续准确的心电监测和分析，及时发现心脏活动异常表现，为患者赢得宝贵的就诊和干预时间。如果医生认为您的心律可能出现了问题，医生可能就会让您戴一两天Holter动态心电监测仪，以全方位观察心脏在某个时间点产生的电活动变化。但是对于老人或者是患者来说，长期心率监测靠随身携带一个笨重的专业设备来随时测量，或多或少会影响到正常的生活习惯及生活质量。

基于以上医疗现状与问题，可穿戴设备取代了传统心电采集导联线部分，在家可独自进行24小时长程动态心电图检查，手机APP实时查看心电相关指标，便捷太多。

新型折纸传感器问世

该论文通讯作者、南加州大学航空航天、机械工程和生物医学工程助理教授赵航波指出，创建能够显著拉伸、快速响应、即使在测量大的动态变形时也能提供精确读数的传感器，是一个极大挑战。

目前的可拉伸应变传感器大多使用橡胶等柔性材料，但经过重复使用后，材料特性可能发生不可逆的变化，从而产生与变形检测相关的不可靠指标。研究人员因此设计了一种新型的传感器结构。

研究人员受到折纸的启发制造了这种传感器，将材料折叠成一个三角形扣在基板材料上，就像是把一本书从中间打开倒扣在桌面上。与基板接触的两边各有一个电极，但其中一个电极是粘合到基板上的，另一个则可以自由移动，电极中间会产生电场并均匀的分布在三角形材料周围，而当传感器受到作用会导致三角形材料的角度变化，其中的电场也会同步发生变化，通过读取这种变化就可以获得变形幅度的具体值。

新传感器可拉伸至原始尺寸的3倍，即使重复使用也具有很高的传感精度。此外，该传感器只有1.2%的迟滞度，且响应速度非常快，可在不到22 ms的时间内检测到非常微小区域（约5mm2）的变形，还能检测来自不同方向的应变。

研究人员表示，此类传感器可准确测量复杂而大量的变形，也可应用于感知柔性机器人的运动、跟踪人体关节的运动，甚至监测膀胱等器官以确定可能预示疾病的异常情况，未来将进一步拓展3D电极设计，从而增加应变范围和应变系数，增强对正常压力和电磁干扰的抵抗力。

可穿戴设备市场发展动力强劲

就目前市场来看，智能可穿戴设备产品主要包括智能手表、智能手环、智能耳机、智能AR眼镜、智能项链以及智能衣服等。其中，根据Strategy Analytics最新的可穿戴设备研究显示，智能手表的销量在2022年全年将以17%的年增长率增长，预计这种强劲的增长势头将一直持续到2027年。

除此之外，随着全球范围内人口老龄化进程加快和慢性病人群增多，可穿戴设备在健康领域的应用日益广泛。业内人士认为，用于实时健康监测的可穿戴设备市场发展前景十分广阔。据统计，2020年全球可穿戴健康设备的销售量约为2亿台，预计到2026年这一数字将翻一番。

纵观国内市场，中国智能穿戴设备市场规模从2017年的212.6亿元增长至2021年的698.5亿元，年均复合增长率达39%。在资本助推下，预计2022年我国智能穿戴设备行业市场规模将达到813.5亿元。2025年中国智能可穿戴设备市场规模大约1573.1亿元。尽管如此，千亿市场下，可穿戴设备市场依然存在多重挑战，如健康监测方面，相比于辅助医疗还有差距，用户难以承受高溢价，接受度还不是很高；在健康监测、物联网、虚拟现实等领域，市场前景依旧广阔，但实际应用落地仍有困难等等。

针对此，一方面，在国家标准、行业规范方面，要加强可穿戴设备相关政策法规的引导和约束，提高产品的质量和性能，不断提高设备的穿戴体验，另一方面产业链企业要进行供应链等的生态化可持续性布局，切实将产品推向主流消费市场，快速抢占市场份额。

高性能可拉伸应变传感器在新型电子技术领域中有广泛的应用前景，如电子皮肤、运动监测和柔性机器人等。为了适应人体皮肤的运动特性，可拉伸应变传感器需要工作在高达80%的应变范围，同时能够实现对微小形变量的精确探测。

随着柔性可穿戴设备的发展，可拉伸应变传感器的作用也越发重要。通常来说，它测量的是机械形变转换成的电信号，用于人机交互、健康监测等领域。不过，橡胶这种传统的可拉伸应变传感器材料很难经住长期重复使用，影响传感器的准确性。本文的研究者设计的这种折纸式创新结构，配合专用模型，将电场强度转换为变形幅度的测量值。这种新型传感器可以描摹更大幅度更复杂的运动变形，在医疗健康领域具有极大潜力。