柔軟な圧力と温度のデュアル

Jun 13, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 17434 (2022) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

呼吸状態は人間の健康と密接に関係する重要な生理学的指標です。 呼吸パターン認識用のウェアラブルでフレキシブルな呼吸センサーは、個人の医療診断や健康状態のモニタリングなどのために生理学的信号の詳細を提供できるため、多くの注目を集めています。しかし、シングルモード検出を使用したフレキシブルな呼吸センサーに基づく現在のスマートマスクは、比較的小さな呼吸音しか検出できません。多くの呼吸パターンがあり、特に口呼吸と鼻呼吸を正確に区別する能力が欠けています。 ここでは、最大 8 つの人間の呼吸パターンを認識できるデュアルセンシング モード呼吸センサーを組み込んだスマート フェイス マスクを作製します。 呼吸センサーは、新しい三次元 (3D) 座屈カーボン ナノファイバー マットを活性材料として使用し、圧力と温度を同時に感知する機能を実現します。 センサーの圧力モデルは呼吸気流によって生成される圧力を正確に検出できる高感度を示し、温度モデルは呼気によって引き起こされる温度変化を非接触で実現できます。 リアルタイム認識能力と、口呼吸と鼻呼吸を正確に区別する能力の恩恵を受け、フェイスマスクは口呼吸症候群の発症を監視するためにさらに開発されました。 デュアル センシング モード センサーには、健康状態の監視において大きな応用の可能性があります。

2019 年コロナウイルス感染症 (COVID-19) の世界的な急速な蔓延を緩和するために多大な努力が払われてきましたが、ワクチンは急速に変異する新型コロナウイルスの蔓延を抑制するには不十分です 1,2。 公共の場所でのマスクの着用は、新型コロナウイルス感染症のパンデミックにおいて病気の蔓延を防ぎ、個人の健康を守るために、世界保健機関によって推奨されており、大多数の国で広く義務付けられています。 ただし、マスクを長時間着用すると副作用が生じる可能性があります。 喘息患者や子供の場合、呼吸困難や急性呼吸器疾患は気づかれないでしょう。 重度の呼吸障害は口呼吸異常を引き起こし、場合によっては呼吸不全を引き起こす可能性があるため、早めに警告する必要があります。 したがって、ポータブルウェアラブルデバイスに基づく毎日の呼吸モニタリングは、子供や呼吸器疾患のある患者に異常な呼吸状態を早期に警告する上で非常に重要です。 呼吸は、個人の健康状態の臨床評価において重要な役割を果たす必須の生理学的指標です3,4。 通常、鼻呼吸が難しい場合、空気の取り込み量を増やすために口から呼吸する傾向があります。 喘息のある子供は、口で呼吸する可能性が高くなります5。 習慣的または長期的な口呼吸の傾向は、子供の顎の発達、頭蓋骨の形状、歯の噛み合わせに悪影響を与えるだけでなく、睡眠時無呼吸症候群にも関連します。 口呼吸症候群の発症を防ぐために、この集団の早期の集学的診断には呼吸のリアルタイムモニタリングが必要です5,6。 マスクによる呼吸抵抗の増加により、この問題が悪化する可能性があります。 さらに、口呼吸と喘息との有意な関連性を示唆する結果が数多くあります7。 したがって、日常生活におけるユーザーの呼吸状態を継続的に監視すること、特に鼻呼吸と口呼吸を正確に認識することにより、個人の健康状態の監視、急性呼吸器疾患の早期警告、医学的診断などの機会を提供できます。

柔軟な呼吸センサーをベースにしたスマートマスクは、継続的な呼吸モニタリングとパンデミックの予防を実現する重要な方法です。 現在、多くの研究が、湿度、圧力、温度センサーなど、呼吸モニタリングを実現するためのさまざまな感知機構に基づく柔軟なセンサーを提案しています8、9、10、11、12、13。 ごく最近、染谷ら。 は、呼吸モニタリングを実現するために超薄型および最軽量の静電圧力センサーを統合したスマート フェイス マスクを設計しました13。 ダオら。 は、柔軟な CNT 糸を熱線として使用することにより、リアルタイムの人間の呼吸のためのウェアラブル熱流量センサーを実証しました8。 Peng らは、リアルタイムの呼吸モニタリングと閉塞性睡眠時無呼吸・低呼吸症候群の診断のための、摩擦電気ナノ発電機に基づ​​く自己給電型電子スキン (e-skin) を報告しました 14。 また、吸入ガスと呼気ガス中の水分量の変化を検出することで呼吸を監視するために、多くの湿度センサーが製造されています3、10、15、16、17、18。 しかし、シングルモード検出に基づくこれらの呼吸センサーは、比較的少数の呼吸パターンしか監視できず、特に口呼吸と鼻呼吸を区別する能力が不足しています。 それらの単一の検出機能は、さまざまな呼吸パターン監視に対する増大する需要を満たすことができません。 シングルモード検出センサーには、口呼吸と鼻呼吸の干渉により制限があります。 たとえば、鼻での深呼吸と口呼吸の流量強度が同じ範囲にある場合、それらは同じ周波数下にあるため区別することが困難です。 シングルモードセンサーユニットでのさまざまな呼吸状態の検出は大まかに実現できますが、信号の結合と相互干渉により測定精度が低下し、作業条件が変化した場合には校正が必要になります11,19。 さらに、これらの既存のデュアルモードセンサーは、呼吸気流によって引き起こされるさまざまな物理的刺激を同時に監視できるほど感度が高くありません19、20、21、22、23、24。 マルチセンシング機能を備えた一種のセンシング材料では、異なるセンシングモデル構造を構築することで人体の複数のバイタルサインを同時に監視することが望ましい25、26。

この研究では、呼吸情報を監視するために圧力と温度の二重モジュール検出を組み込んだスマートフェイスマスクを提案しました。これにより、口呼吸と鼻呼吸の正確な識別が実現します。 さまざまなセンシングモデル構造を構築することにより、優れた機械的特性と温度センシング性能を備えた新しい柔軟なカーボンナノファイバーマットが、圧力および温度センシングモジュールの両方の活性材料として使用されます。 圧力センシングモジュールは、呼吸気流によって生成される圧力の検出に適した高感度を示し、人体のさまざまな生理学的信号を検出できます。 温度センサーは口呼吸や鼻呼吸による微小な温度変化を感知し、非接触で温度検知を実現します。 スマートフェイスマスクが、通常の鼻呼吸、鼻の浅い呼吸、鼻の深呼吸、鼻の速い呼吸、咳、息止め、口の通常の呼吸、口のゆっくりなど、8つの呼吸パターンを含む呼吸状態を継続的に監視および分析できることを実証しました。呼吸。 以前に報告された呼吸モニタリング技術と比較して、提案されたスマートフェイスマスクには 2 つの利点があります。(1) 口呼吸と鼻呼吸を正確に区別できます。 (2) デュアルモードセンシングにより、これまでにない多様な呼吸パターンのモニタリングが可能となり、人体の生理機能をより詳細に分析できます。 スマートフェイスマスクは、呼吸関連疾患の早期警告や診断の用途に大きな可能性を秘めており、個人の健康維持にも有益です。

図1に示すように、異なるセンシングモデル構造を構築することで、数千本のカーボンナノファイバーで構成されるCNFマットをコンボセンサーの活物質として使用し、圧力と温度の同時センシングを実現します。 座屈ナノ構造を有する新しいカーボンナノファイバーは、大きな三次元空間と（244m2 / g）の高い比表面積を持っています（図S1a、補足情報）。 これらのナノファイバーは、突起した触手状のカーボンナノチューブで装飾されており（図S1b、補足情報）、さまざまな物理的刺激に敏感であると考えられます。 CNF マットは、ハイブリッド ポリアクリロニトリル エレクトロスピニング ナノファイバーの急速アニーリングによって実現されます。 デュアルモードセンサーの準備プロセスを図S2、補足情報に示します。

呼吸によって引き起こされる圧力と温度の変化を検出するためにマスク上に組み立てられたコンボデュアルモードセンサーの構造の概略図。

圧力モデルでは、CNF マットはすだれ状電極の上部に配置されました。 ピエゾ抵抗センサーの場合、合計抵抗には、導電性複合材料のバルク抵抗 (Rb) と接触抵抗 (Rc) が含まれます。 トンネル効果と接触機構に基づいて、一般に Rc は Rb よりもはるかに大きいため、バルク抵抗は無視できると考えられています 27。 したがって、定義された CNF 間の接触抵抗を含め、総抵抗は Rc によって支配されます。バルク接触抵抗 Rbc、および CNF と電極間の表面接触抵抗 Rsc として定義されます。 総横方向接触抵抗は次のようになります。

形成される点接触チャネルは、圧力が加えられたときの電子トンネル電流に似ていると説明できます。 電気接触の基礎によれば、弾性変形によってのみ生成される実際の接触面積の増加は、荷重がかかる軸受面積を使用して \(A_{b} = \frac{F}{H}\)28,29 として記述できます。ここで、F は加えられる力、H は柔らかい材料のマイヤー硬度です30。 実際の接触面積は Ac = Ab + A0 として定義されます。

接触抵抗は次のように説明できます。

ここで、ρ1 と ρ2 は 2 つの接触する材料の抵抗率、A0 は負荷力がゼロの場合の 2 つの接触する材料間の接触面積です。 圧力センサーの感度の定義によると、次のようになります。

式の結果 (3) は、圧力モデルの圧力感度が材料の抵抗率に依存しないため、温度による影響がほとんどないことを理論的に示しています。 このモデルでは、座屈したカーボン ナノファイバーが大きな 3 次元空間を形成し、調整可能な接触面積が大きいため、初期接触面積 A0 は Ab よりもはるかに小さくなります。 したがって、ピエゾ抵抗感度は単位圧力に対する荷重支持面積の変化率によって決まります。 センサーのピエゾ抵抗挙動は、CNF 間および CNF と電極間の接触領域または接触点の変化に起因します。 さらに、炭素繊維上にはカーボンナノチューブが突出することで形成された感応点が多数存在する。 座屈したナノファイバーマットが横方向の圧力を受けると、これらのファイバーと電極が互いに接触して高導電路を形成し、その結果RcbとRcsが大きく変化します。そのため、このピエゾ抵抗センシングモードでは高感度を達成できます。

温度感知モジュールでは、平行なカーボンナノチューブの両端が電極として導電性銀ペーストでコーティングされ、その後CNFマット全体がカプセル化層として機能するPDMSでコーティングされています。 CNF は PDMS で包まれ、横方向の誘電絶縁層を形成して圧力刺激による相互干渉を抑制します。 温度センサー単体の等価回路と測定方法を図1に示します。式よりモノブロックCNFマットを抵抗とみなし、長手方向の抵抗R//は次のように表されます。

ここで、S//は水平方向のモノブロックCNFの総断面積、CNFの数はn、各繊維の断面積はScnfである。 この温度感知構造モデルでは、カーボン材料の固有の硬度により、圧力が加えられた際の各カーボン ナノファイバーの断面の変化は無視できます。 したがって、抵抗 R// は主に温度による抵抗率 ρ の変化によって決まります。 さらに、横方向誘電絶縁層としての CNF 上の PDMS コーティングにより圧力干渉が回避されるため、温度検知モデルでは接触抵抗は無視できます。

呼吸の状態を正確に測定するには、フレキシブルな呼吸監視センサーが安定しており、低圧での呼吸気流に対して高感度である必要があります。 図 2a は、圧力負荷-負荷試験サイクルにおける圧力センサーの感度曲線を示しています。 圧力感度は S = (ΔI/I0)/ΔP として定義されます。ここで、ΔI は相対電流変化、I0 は初期電流、ΔP は圧力負荷の差を表します。 圧力を加える前は、カーボンナノファイバー間、またはカーボンナノファイバーと電極間の接触面積は非常に小さく、高抵抗状態に相当します。 感度曲線は、多数の炭素繊維が互いに接触して高導電性パスを形成するため、低圧力範囲 (0 ～ 5 kPa) で最高感度値 (715 kPa-1) を示します。 その後圧力が上昇する範囲 (5 ～ 20 kPa) では、カーボン ナノファイバー間の接触面積の増加に伴い、センサーは 255 kPa-1 の感度を示しました。 高圧領域 (> 20 kPa) では、ファイバーは互いに緊密に押し付けられ、センサーは約 14.36 kPa-1 という比較的低い感度を示しました。 CNTを含まないセンサーデバイスは、CNTを含むセンサーデバイスよりも4桁低い圧力感度を示します（図S3、補足情報）。これは、CNTによるカーボンナノファイバーの装飾がセンシング性能にとって重要であることを示しています。 図 2b は、電圧範囲が -1 ～ 1 V の、さまざまな圧力に対する圧力センサーの電流電圧曲線を示しています。観察された曲線はオームの法則と一致しています。 さまざまな圧力に対する繰り返し電流応答をテストしたところ（図2c）、センサーの優れた安定した感知性能と再現性がわかりました。 スマートマスクの流圧検出には、低圧によって簡単にトリガーされる圧力センサーが望ましいです。 図 2d のリアルタイム電流圧力曲線は、低圧力範囲で良好な直線性を示しています。 図 2e は、約 30 ～ 40 Pa のバックグラウンド圧力における約 6 Pa の非常に小さな圧力変動の検出を示しています。図 2f に示すように、圧力センサーは約 120 Pa の空気流パルスによって駆動され、周期的な電流ピークを生成します。 超高感度の利点をさらに実証するために、柔軟な圧力センサーを喉の上の皮膚に取り付けて、異なる音節数の単語を認識します（図S4、補足情報）。

(a) 圧力の関数としての相対電流変化率。 (b) 異なる圧力下での電流電圧曲線。 (c) 異なる圧力下での応答電流。 (d) 低圧力範囲での電流曲線。 (e) 低圧を繰り返す現在の応答。 (f) 気流の刺激下での開回路電圧対時間。 (g) 異なる温度下での電流応答 (h) 圧力センサーの応答速度。 (i) 連続圧力トレインに対する現在の応答。

圧力検出モードにおいて、温度変化による干渉を抑制できることを確認するために、異なる温度で同じ圧力を加える試験を実施します。 図 2g は、30 °C と 60 °C で 4.5 kPa 増加したときの圧力応答が非常に似ていることを示しています。 また、圧力センサーに10 Paのわずかな圧力を加えると、温度が25℃から60℃まで変化しても、電流増加分ΔIはほとんど変化しません（図S5、補足情報）。 したがって、圧力測定は電流増加分ΔIのみに関係するため、温度変化の影響をほとんど受けません。 動的応答速度も呼吸センサーの重要なパラメーターです。 応答時間と回復時間は図2hで計算され、異なる圧力下でのいくつかの詳細な応答曲線が図S6（補足情報）に示されています。 異なる圧力下での応答時間は 20 ～ 30 ミリ秒の範囲にあり、呼吸の検出には十分な速さです。 図2iに示した圧力センサのサイクル試験では、2000回の連続積み下ろし列車においても試験期間中の劣化がほとんど見られず、優れた動作安定性と耐久性を示しました。 さらに、人間の生理学的信号の検出に関するセンサーの実際の応用を実証します。 センサーは手首に取り付けられ、動脈拍動信号を監視します。P 波、T 波、D 波の 3 つの典型的な主波が明確に表示されます（図 S7、補足情報）。

ピエゾ抵抗モデルで実証された優れたピエゾ抵抗性能にもかかわらず、温度感知特性は人間の呼吸信号を正確に検出するためのコンボ センサーの重要なモデルでもあります。 最近、CNT の温度変化に対する良好な電気的応答が報告され、温度センサーに適用されるポリマーやその他の材料との CNT ナノ複合材料が大きな注目を集めています 31,32,33。 私たちの研究では、エレクトロスピニング炭素繊維を触手のようなカーボンナノチューブで修飾し、PDMS で包みます。 3D カーボンファイバー上のカーボン ナノチューブの修正されたアンテナは、熱放射を受け取り、電気抵抗率の変化を引き起こす可能性があります。 上記の温度感知モデルで説明したように、抵抗 R// は主に、温度による抵抗率 ρ の変化によって決まります。 したがって、抵抗の非線形温度依存性は、次の成長指数関数で説明できます 33:

ここで、Ea は熱活性化エネルギー、K はボルツマン定数、B は熱指数です。 温度による抵抗の相対変化が図3aにプロットされており、温度による抵抗の増加と最高感度0.22%/℃を示しています。 図 3d は、温度が 0 ～ 65 °C に上昇したときのセンサーの IV 曲線 (1/R) の傾きの変化を示しており、温度センサーの 0 ～ 1 V の範囲内で線形相関を示しています。 呼吸センシングでは、センサーに高感度かつ非接触検知機能が求められます。 まず、指とセンサーの間の距離を変化させて小さな温度変化を生じさせ、非接触センサーの感度を調べます。 図3bとcに示すように、距離が小さいほど相対温度が高いことを意味するため、指の距離が8 mmから3 mmに減少するにつれて、相対抵抗の変化は段階的に増加します。 さらに、図3eとfは、センサーが熱源（38℃から42℃）および冷源（37℃から24℃）に近づく/遠ざかるときの相対電流の変化を示しています。 比較として、広く使用されている市販の PT100 温度センサーと当社の温度センサーを静止空気環境にヒーターから一定の距離を置いて設置し、リアルタイムで温度変化を記録しました (図 3g)。 図 3g に示すように、非接触熱伝達プロセス中のセンサーの温度曲線は PT100 温度センサーの温度曲線と完全に一致しました。 さらに、温度検知モードの動作安定性を検証するために、センサーの電流監視をさまざまな温度で長時間実行しました。 図3hに示すように、温度センサーはそれぞれ20℃、30℃、40℃で非常にスムーズに動作します。 ウェアラブルフレキシブル温度計の応用をさらに実証するために、センサーを被験者の額に設置し、熱源が被験者の額に接近/後退することによって実現される人間の皮膚温度の変化を定量的に明らかにしました（図S8、補足情報）。

ダブルモジュールセンサーの温度感知特性。 (a) 4～70℃の温度に対する電気抵抗変化率の絶対値の線形対応。 (b および c) 相対抵抗変化に対する指の表面とセンサー間の最小距離の影響。 (d) IV 曲線は、0 ～ 65 °C の温度変化に応じたセンサーの電流を示します。 (e)熱源物体と(f)冷源物体に接近、遠ざかるを繰り返したときのセンサーの温度弁別能力。 (g) 当社のセンサーと PT100 温度センサーによって記録された温度応答曲線。 (h) 20 °C、30 °C、および 40 °C での温度-時間曲線。

非接触温度検出機能は、呼吸モニタリング用のスマートマスクに組み込まれるフレキシブルセンサーに不可欠です。 コンボ センサーの 2 つの感知モードが相互干渉することなく独立して動作できることを実証するために、温度と圧力の両方を監視するテストが提案されています。 図4a〜cは、それぞれ冷たい物体、熱い物体、通常の物体に接近または接触している手袋に取り付けられたデュアルモードセンサーの赤外線熱画像を示しています。 空気中の熱拡散を考慮すると、物体とセンサーの間に温度差がある場合でも非接触で温度を検知できます。 図4dおよび動画S1（補足情報）に示すように、センサーが熱い物体または冷たい物体に近づくと、距離が1 cmに減少した後、明らかな温度の上昇/低下が検出されました。 しかし、室温で通常の物体に近づくと、センサーは無視できるほどの温度振動を示します。 センサーと物体の間に機械的接触が発生すると、監視圧力は 0.8 kPa から 2 kPa に急速に増加し、表面温度は安定した値に維持されました (別の同様の実験の結果も図 S9 に見られます)。温度センサーへの圧力。 さらに、異なる温度で物体の温度と圧力の刺激を検出する繰り返しテストを図S10（補足情報）に示し、デュアルモードセンシングの安定性を明らかにしています。 上記の結果は、デュアルモード センサーの個々の検出モードが相互干渉することなく独立して動作できることを明確に証明しています。 当社のデュアルモード センサーのこのユニークな機能により、呼吸モニタリング用のスマート マスクや人工知能電子スキン 34 における有望なアプリケーションが可能になります。

(a) 冷たい物体、(b) 熱い物体、(c) 通常の物体に接近する手袋に取り付けられたセンサーの赤外線熱画像。 (d) センサーのリアルタイム出力電流と抵抗応答のプロット。

スマートフェイスマスクは、ダブルモデルコンボセンサーを組み込むことによって製造されます。 さまざまな呼吸状態をリアルタイムに表示するインジケーターを備えた小型の測定回路も統合されています。 まず、圧力モデルについては、鼻呼吸中の空気流の変化によって引き起こされるマスク上の圧力変化に応じたセンサーの信号を研究することで、さまざまな呼吸状態を認識できます。 人間の鼻呼吸のリアルタイムモニタリングデータを図5aと図S11（補足情報）に示します。 センサーは、さまざまな呼吸状態 (通常の呼吸、浅い呼吸、深い呼吸) として分類できる一連の重要なピークを示します。 異なるサイクル時間とそれぞれのピーク強度によって特徴付けられる各呼吸状態を正確に測定できます。 通常の呼吸、深い呼吸、および浅い呼吸の呼吸状態は、それぞれ 18 s-1、12 s-1、および 30 s-1 という異なる呼吸速度を持ちます。 さらに、図5bおよびcに示すように、無呼吸や咳などの人間の呼吸の異常状態を正確に測定できます。 圧力センサーはPENフィルムとアクリルPSA接着剤で密封されており、湿気とセンサーの活性物質との大きな接触を防ぐことができます。 センサーが完全に密閉されていない場合でも、露出した CNF の疎水性表面は湿気の浸透に効果的に抵抗できます。 図 S12 に示すように、カーボン ナノファイバーは疎水性であり、接触角は 130°です。 温度センサーの場合、CNF 全体がコンパクトな PDMS でコーティングされ、湿気から物理的に隔離されます。 全体的に見て、体とマスクの間の湿度はデュアルモードセンサーの性能にはほとんど影響しません。 また、フェイスマスクは長期間安定して呼吸圧に応答することができ（図S13、補足情報）、マスクの信頼性が示されています。

(a) さまざまな圧力強度での呼吸パターンの検出信号、(b) 息止め、および (c) 咳。 (d) 口呼吸と鼻呼吸の赤外線画像。 (e) 鼻呼吸および口呼吸条件下での圧力と温度の応答。 (f) 連続する鼻呼吸と口呼吸に対する応答信号によって認識される呼吸パターン。 (g) スマートマスクは、温度を監視することで口呼吸と鼻呼吸を区別します。

呼吸を監視する既存のスマート マスクは、ほとんどがシングルモードの柔軟なセンサーに基づいています。 シングルモードでは複雑な呼吸をモニタリングする際にエラーが発生しやすく、口呼吸と鼻呼吸を正確に区別することが困難です。 たとえば、図5eの圧力テストセクションに示すように、呼吸気流の圧力強度がほぼ均一である場合、鼻の深呼吸と口呼吸を区別することは困難です。 新型コロナウイルス感染症のパンデミック中、鼻と口の呼吸を正確に認識するダブルモデルの呼吸モニタリングは、喘息患者や小児の呼吸困難を早期に警告できます。 さらに、口呼吸症候群の発症を防ぐために、喘息の小児を早期に集学的診断するためには、長期にわたる呼吸のモニタリングが必要です。 したがって、鼻呼吸と口呼吸を正確に区別できるスマートマスクは、実用化の大きな可能性を秘めています。

呼気の温度と気圧の差を同時に正確に測定することで、呼吸状態の違いを明確に認識することができます。 赤外線画像は、マスクを着用した際の口呼吸と鼻呼吸によって生じる温度差を示しています（図5d）。 鼻呼吸では、呼吸中に 28.8 ～ 30.5 °C の温度変化が見られますが、これは口呼吸の温度変化 (27.3 ～ 32.4 °C) よりも小さいです。 鼻呼吸と口呼吸は、息を吸って吐くという 1 つのプロセスにおける温度の変化の違いによって区別できます。 この特殊な特徴は、鼻深呼吸と口呼吸の呼吸気流圧強度が基本的に同じである場合に重要です。 図5eに示すように、圧力と温度を補完的に監視することにより、通常の鼻呼吸、鼻深呼吸、口呼吸の状態を認識できます。 図5fは、人間の呼気を検出するためのスマートマスクのダブルモデルセンサーのリアルタイム応答を示しています。 鼻の通常呼吸、鼻の深呼吸、鼻の速い呼吸、咳、無呼吸、口の通常の呼吸、口の遅い呼吸など、さまざまな呼吸パターンを正確に監視できます。 圧力モードで監視された以前の呼吸パターンと組み合わせると、合計 8 つの呼吸パターンがデュアルモード センサーで検出できます。 ダブルモデルセンサーの強力な検出能力により、医療用フレキシブルデバイスでの需要が高い人体の生理機能のより詳細な分析が可能になります。

デュアルモードセンサーの実用的な価値を実証するために、スマートマスクは、図5gおよびムービーS2、補足情報に示すように、口と鼻の呼吸状態をリアルタイムで表示する機能をさらに開発しました。 このスマートフェイスマスクは、図S14の補足情報に示すように、デュアルモード呼吸センサー、電源ユニット、測定回路、2つの表示灯と組み合わされています。 呼吸がないときはインジケーターライトが消灯し、鼻呼吸があると緑色のインジケーターが点灯します。 口呼吸が発生すると、赤と緑のインジケーターライトが同時に点灯します。 スマートマスクを使用すると、口呼吸をリアルタイムで観察できるため、呼吸障害の予防に非常に役立ちます。 さらに、子供の異常な口呼吸をタイムリーに矯正することで、口呼吸症候群の発症を防ぐことができます。 この呼吸センサーをワイヤレス読み出し回路およびモバイルアプリケーションとさらに組み合わせて、ワイヤレス呼吸モニタリングを可能にすることが期待されています。

結論として、我々は、複数の呼吸パターンを認識するためのダブルモジュールセンサーを組み込んだスマートフェイスマスクを提案しました。 スマートフェイスマスクを使用すると、通常の鼻呼吸、鼻の速い呼吸、鼻の深呼吸、咳、息止め、口の通常の呼吸、ゆっくりとした呼吸を含む8つの呼吸状態を継続的に監視し、認識できます。 コンボセンサーの圧力検知モードは、呼吸気流、音声、動脈拍によって発生する微小な圧力を測定できる高感度を示します。 温度感知モードでは、口呼吸や鼻呼吸による小さな温度変化を非接触で検出します。 提案されたスマートフェイスマスクは、リアルタイムで口呼吸と鼻呼吸を正確に区別できるため、口呼吸症候群の発症を防ぐことができます。 また、デュアルモードセンシングにより、これまでにない多様な呼吸状態モニタリングが可能になり、人体の生理機能をより詳細に分析できるようになります。 スマートフェイスマスクには、新型コロナウイルス感染症（COVID-19）や肺炎などの呼吸関連疾患患者の呼吸パターンのモニタリングに応用できる可能性があり、疾患の早期警告や診断に有益です。

ポリアクリロニトリル (PAN) は Macklin Sigma-Aldrich から購入しました。 ジメチルホルムアミド (DMF) は Macklin から購入しました。 CNT (xfm04) は XFNAN から取得しました。 ポリ (ピロメリット酸二無水物-co-4,4'-オキシジアニリン)、アミド酸溶液を Macklin から入手し、PI フィルムの前駆体として使用しました。 PDMS (SYLGARD 184) は DOWSIL から購入しました。

ナノファイバー前駆体はエレクトロスピニングによって製造されました。 まず、ＰＡＮとＤＭＦを１：４の比率で混合し、４時間磁気撹拌しながら溶液Ａを調製した。 溶液Ｂは、２時間にわたる超音波分散によって０．６ｇのＣＮＴを５ｇのＤＭＦに添加することによって調製された。 次に、溶液 A と B を混合し、20 時間磁気撹拌して前駆体溶液を得ました。 前駆体溶液をシリンジに装填し、溶液の供給速度を2 mL h -1 に(制御)した。 針の先端と被覆コレクタとの距離は約２０ｃｍとし、高電圧（２０ｋＶ）を印加した。 エレクトロスピニングされた繊維は、金属箔で覆われた金属回転ローラー上に直接収集され、通常は 2 時間かけて実行されました。 最後に、ナノファイバーを管状炉内で窒素中 900 °C で 2 時間炭化し、温度を 20 °C min-1 の速度で上昇させました。

まず、圧力検知モードは、3D 座屈カーボン ナノファイバー マットを一対の交互嵌合 Au 電極の上に組み立て、1.0 ミルのアクリル PSA 接着剤で封止し、続いて厚さ 1.4 μm の PEN フィルムで覆うことによって実行されました。 交互嵌合型 Au 電極 (Au 厚さ = 100 nm、電極幅 = 200 μm、間隔 = 100 μm、有効感圧領域 = 3 mm × 3 mm) を、フォトリソグラフィーを使用して厚さ 2.3 μm の PI コーティングされた Si ウェハー上にパターン化しました。続いてマグネトロンスパッタリング。 異方性導電ワイヤを櫛型電極に接着して、それらを標準デュポンピンに接続した。 次に、圧力モードのPIフィルムの裏側に温度検知モードを用意しました。 縦方向のカーボンナノファイバーの両端を導電性銀ペーストで固定し、銅線で外部回路と接続した。 次に、カーボン ナノファイバーを PDMS 前駆体混合物 (Sylgard 184、Dow Corning Corporation、プレポリマーと架橋剤の比率は 5:1 まで変化します) で 5 分間覆い、PDMS をカーボン ナノファイバー マットに完全に浸透させました。 次いで、過剰なＰＤＭＳをスピンコーティング機によって除去した。

カーボンナノファイバーの形態は、電界放射型走査型電子顕微鏡（Zeiss/Bruker Gemini500）および透過型電子顕微鏡（TEM、JEM-2100、日本電子）を使用して測定されました。 ラマン分光法は、LabRAM HR 800 UV レーザーマイクロラマン分光器 (HORIBA Jobin Yvon、フランス) を使用し、レーザー励起波長 532 nm で実行しました。 ブルナウアー・エメット・テラー（BET）表面分析は、表面積多孔度分析装置（BSD-66）を使用して実行されました。

圧力感知テストは、高精度ロードセル (LSB200、USB200、FUTEK)、高周波圧電アクチュエーター (NAP100、Newport)、および高速 Keithley ソースメーター (Model) で構成される実験装置を使用して実行されました。 2636B）。 圧力感知テスト中、センサーはアクチュエーターとロードセルの間に配置されました。 アクチュエータは、センサーに圧力を加える動きを生成するように制御され、その力はロードセルによって検出されました。 温度赤外線画像は、赤外線カメラ (Fluke TiX640) を使用して取得されました。 これらのセンサーは取得カード (Smacq-USB-3200) に接続され、取得された圧力信号と温度信号が同時に記録されました。

この研究は中山大学の倫理委員会によって承認されました。 この研究におけるマスク呼吸と人間の皮膚温度の検出を含むすべての実験は、ガイドラインと規制に従って実行されました。 私たちの実験や原稿には他の被験者は関与していません。 すべての参加者は、データ収集前にインフォームドコンセントフォームに署名しました。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は、中国国家科学財団 (第 61904040 号) から資金援助を受けています。

中山大学物理学部、広州、510275、中華人民共和国

パン・ジョウジュン＆チェン・ミン

国立光電子材料技術研究所、中山大学電子情報技術学部、広州、510275、中華人民共和国

パン・ジョウジュン＆チェン・ディフー

広東理工大学材料エネルギー学部、広州、510006、中華人民共和国

ユー・ジャオ＆ニンチー・ルオ

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MCとZPがアイデアを発案し、プロジェクト全体を監督しました。 ZP と DC は実験を設計しました。 YZ、NL、および MC がすべての実験を実行しました。 著者全員が実験データを分析しました。 ZPは論文を書きました。 すべての著者が原稿の最終版に承認を与えました。 情報/画像をオンラインのオープンアクセス出版物に公開するために、公開に関するインフォームドコンセントが得られています。

陳迪胡さんへの対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Pang、Z.、Zhao、Y.、Luo、N. 他。 呼吸パターン認識用の座屈カーボン ナノファイバーをベースにした柔軟な圧力と温度のデュアルモード センサー。 Sci Rep 12、17434 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-21572-y

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受信日: 2022 年 5 月 11 日

受理日: 2022 年 9 月 28 日

公開日: 2022 年 10 月 19 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-21572-y

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科学レポート (2023)

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