CN111839513A - 一种用于人体健康监测和信息加密传输的智能传感器 - Google Patents

一种用于人体健康监测和信息加密传输的智能传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于人体健康监测和信息加密传输的智能传感器，所述通过胶对口香糖/氯化钠复合物进行三明治式封装，构建口香糖基电容式智能传感器，即得。本发明制备过程简单快速，绿色环保无污染，可以实现废物的再利用，同时满足大规模制备能力。基于口香糖传感器可以实现在多种人体运动中的有效监测，并进一步可以用于重要信息的加密、存储和传输，为智能可穿戴设备的制备提供一种新思路。

Description

一种用于人体健康监测和信息加密传输的智能传感器
技术领域
本发明属于智能传感器领域，特别涉及一种用于人体健康监测和信息加密传输的智能传感器。
背景技术
近十几年来，随着电子皮肤，离子皮肤，智能织物、柔性显示器等可穿戴传感器的广泛应用(Nature Communications 2013,4(1),1859-1867；Nature Nanotechnology2011,6(12),788-792；Advanced Materials 2014,26(45),7608-7614.)，各类用于人体温度变化监测，血压、脉搏和心率监测，汗液分析等智能传感器得以快速发展(AdvancedMaterials 2016,28(22),4338-4372；Materials Horizons 2017,4(4),694-700；Scienceadvances 2019,5(11),eaax0649；Small 2018,14(13),1703934.)。通常，可用于智能传感器的材料种类繁多，包括水凝胶，气凝胶，天然材料(例如橡胶，蚕丝，藻酸酸盐，纤维素等)，以及低维碳材料等(Nature Communications 2018,9(1),1134；Materials Horizons2019,6(2),326-333；Chemical Engineering Journal 2019,374,730-737；AdvancedFunctional Materials 2018,28(36),1800802；Advanced Materials 2019,31(9),1801072；)。然而，已知的绝大多数传感器的缺点在于难以同步实现稳定的长期可重复使用和大规模低能耗制备，这些问题严重限制了其在可穿戴设备领域中的进一步利用。例如，基于金属纳米线和半导体材料等可穿戴电子设备，其自身固有的刚性，力学脆性，低拉伸性能，以及高成本和复杂制备过程，难以重复利用等特点(Advanced MaterialsTechnologies 2018,3(6),1800020；The Journal of Physical Chemistry C 2011,115(30),14494-14499.)，这些缺点是在大规模制备和使用上难以克服的，随之而来的是大量的资源浪费和严重的环境污染。
熟知的口香糖是一种胶体状物质，以天然口香糖或甘油树脂为基础，通过将糖浆，薄荷，蜡，抗氧化剂，甜味剂和其他填充剂等共混到胶基中去，制备得到可供人们咀嚼的口香糖。我国是口香糖消耗大国，年人均消耗约60片，口香糖在我们的日常生活中起着重要作用，例如从牙齿表面清除食物残渣，清洁口腔，加速面部血液循环和增强肌肉训练，从而促进颌面部牙齿和颌骨的生长，同时口香糖可以通过咀嚼刺激来促进消化。Xing等人(ACSApplied Materials&Interfaces 2015,7(47),26195-26205.)在之前的研究中，制备了一种基于口香糖和多壁碳纳米管(MWCNT)的复合导电传感器，可以用来有效地用作身体运动监测传感器。但是MWCNT在制备过程中和后续处理不够环保，会产生大量的废弃物和污染，不符合绿色环保可持续发展的观点。因此，为了解决传感器制造高能耗与生态可持续发展之间的矛盾，基于可大规模制备方法来开发低成本可重复使用的可穿戴设备显得尤为重要和迫切。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于人体健康监测和信息加密传输的智能传感器，克服现有技术传感器制造高能耗等缺陷，本发明有效地利用了废弃物口香糖残片和常见的氯化钠或食用盐大规模制备用于实现人体运动健康监测和信息加密、存储和传输的新型智能环保传感器。
本发明的一种复合物，原料组分包括：胶基、糖浆、软化剂、色素、橡胶增塑剂、香料和抗氧化剂等；以及氯化钠。
进一步，所述组分包括：咀嚼后的口香糖和氯化钠。
本发明的一种口香糖/氯化钠复合物的制备方法，包括：
将咀嚼后的口香糖进行清洗，然后将清洗后的口香糖置于氯化钠或食用盐溶液中，进行单一方向的有序重复拉伸，得到口香糖/氯化钠复合物(也即内部富含有离子的口香糖)。
上述制备方法的优选方式如下：
所述口香糖为市面上销售的普通口香糖，品牌和型号不限(本发明以常见的“益达”口香糖为例进行说明)。
所述咀嚼后的口香糖为：口香糖咀嚼时间为10-30分钟，优选为20-30分钟，更优选为20分钟。
所述清洗为去离子水清洗后用乙醇溶液浸泡洗涤。
进一步，所述去离子水充分清洗3-10次，优选为3-5次；乙醇浓度为体积分数30-95％，浸泡洗涤时间10-30分钟，优选为20-30分钟。
所述氯化钠为普通分析纯，食用盐为市面上销售的精制盐(本发明以市面销售的“中盐”制造的食用盐为例进行说明)。
所述氯化钠或食用盐溶液的浓度为0.5-6mol/L，优选2-6mol/L，更优选为6mol/L。
所述单一方向的有序重复拉伸具体为：单一方向有序取向拉伸50-200次，优选为100-200次。
本发明的一种所述方法制备的口香糖/氯化钠复合物。
本发明提供一种传感器，所述传感器包含所述口香糖/氯化钠复合物。
本发明的一种传感器的制备方法，包括：通过胶对口香糖/氯化钠复合物进行三明治式封装，构建口香糖基电容式智能传感器。
所述三明治式封装具体为：通过VHB胶进行三明治式包裹，三层VHB胶中间夹两层口香糖/氯化钠，两层口香糖/氯化钠向外由导电连接。
所述VHB使用的型号为3M公司生产的4905牌号，但实际应用不限于此公司生产的该型号VHB胶。
进一步地，本发明提供的智能传感器的制备方法，具体步骤为：
(1)将购买来的益达牌口香糖进行充分咀嚼10-30分钟，去除甜味剂等添加剂，接着将咀嚼后的口香糖置入去离子水中进行揉搓、按压、充分拉伸清洗3-5分钟，随后用体积分数30-95％的乙醇进行充分消毒洗涤；最后在配备好的6mol/L氯化钠溶液中进行单一方向取向拉伸100-200次，制备口香糖/氯化钠复合物，得到的口香糖/氯化钠复合物具有非常好的形状可塑性，可以编排成多种形状，如图1所示；
(2)通过对口香糖/氯化钠复合物进行详细XRD和扫描电子显微镜的表征，证实口香糖内部被氯化钠颗粒均匀填充，起到良好的力学增强和稳健离子电导能力，如图2所示；
(3)将(1)中制备得到的口香糖/氯化钠复合物，通过商用的3M VHB胶进行三明治式包裹，三层VHB胶中间夹两层口香糖/氯化钠，两层口香糖/氯化钠向外由导电连接，制备平行板式电容器，如图3a-b所示；
(4)将(3)中制备得到口香糖/氯化钠平行板式电容器，能够高效贴附在木头假肢或者人手上，如图3f-g和图4f所示，制备得到口香糖/氯化钠智能传感器，同时口香糖/氯化钠智能传感器对温度和湿度有着广谱的耐受力，可在苛刻环境中继续使用；
(5)将(1)—(4)中氯化钠同步换成相同量的食盐，可制备得到口香糖/食盐平行板式电容器，该电容器设备依然能够保持高效贴附在人手上能力，该智能传感器对人手指规律性弯曲有着快速的响应和回复，如图4h所示。
本发明的一种所述传感器在人体运动信号的监测或重新编码摩尔斯电码中的应用。
本发明提供一种通过利用废弃物(口香糖)和氯化钠或者可食用的食用盐大规模制备用于人体健康监测和信息加密、存储和传输的智能传感器。
所述人体运动信号的监测包括面部表情变化、喝水、步行、膝盖弯曲、肘部运动、长时间手指周期性弯曲等，但不限于上述监测特征内容。
所述重新编码摩尔斯电码，实现对重要信息的智能加密、存储和传输。对摩尔斯电码进行信息的编码和加工，但不限于重新编码摩尔斯电码(Morse code)信息，还可以加工其他文字类信息。
有益效果
(1)本发明所涉及的智能口香糖/氯化钠(食盐)传感器，制备过程简单快速，绿色环保无污染；
(2)本发明所涉及的智能口香糖/氯化钠(食盐)传感器，可以实现废物的再利用，同时满足大规模制备能力；
(3)本发明所涉及的智能口香糖/氯化钠(食盐)传感器，通过将传感器贴合在不同身体部位，可以记录人在多种运动中电容信号的变化来进行有效监测。例如面部表情变化(图4a上:抬眉毛；图4a下:闭眼)；喝水时可以检测人喉结运动产生的传感器电容信号变化(图4b)；肘部重复运动(图4c)；运动过程中膝盖的规律性弯曲(图4d)；人在步行中脚部规律性的运动步伐检测(图4e)；手指重复规律性弯曲(图4f)等等；同时传感器可以在相对湿度50％下，环境温度从20-90℃保持长时间的电容稳定，电容有效值波动不超过14％；以及在相对温度30℃下，相对环境湿度从20-90％保持长时间的电容稳定，电容有效值波动不超过4％(图4g)；将NaCl替换为等量的可食用食盐后进行相同步骤制备口香糖/食盐传感器，贴在人手指上进行规律性弯曲运动，其信号依然能够稳定重复，同时响应时间能够在700毫秒相对较快时间内，恢复时间也能够在555毫秒内，口香糖/食盐传感器展示出良好的测试性能(图4h)。
(4)本发明所涉及的智能口香糖/氯化钠(食盐)传感器，可以进一步用于重要信息的重新编码加密、存储和传输。本传感器涉及的加密原则是基于对摩尔斯电码(Morsecode)编码原则(图5a，“一”表示长信号；“·”表示短而急促的信号)，对信息进行转码，将文字信息通过手指规律性弯曲转化为电信号(其中规定：手指45°弯曲代表Morsecode中的“·”信号；手指90°弯曲代表Morse code中的“一”信号)(详见图5b)；再通过我们预先编排的翻译对照表(图5b)进行信息的翻译解码，从而实现对重要的信息的加密、传输以及保存。
(5)本发明所涉及的智能口香糖/氯化钠(食盐)传感器，由于上述诸多优异特性，可为智能可穿戴设备的制备提供一种新思路，同时具有非常可观的实用价值和广阔的应用前景。
(6)本发明的开发了一种低能耗、废弃物循环再利用、可重复使用、制备过程绿色环保无污染的可穿戴传感器，本发明有效地利用了废弃物口香糖残片和常见的氯化钠或食用盐大规模制备用于实现人体运动健康监测和信息加密、存储和传输的新型智能环保传感器。
附图说明
图1为口香糖经咀嚼后，在6mol/L的氯化钠溶液中进行单一方向取向拉伸，得到的内部富含氯化钠颗粒的口香糖，其可以实现形状任意可塑，具体对应于实施例1；其中(a)为购买来的口香糖；(b)为经过20分钟充分咀嚼后的口香糖；(c)为将咀嚼后的口香糖在6mol/L的NaCl水溶液中进行单一方向的拉伸，拉伸次数为100次；将经过(c)操作后，内部含有大量NaCl的口香糖重新塑形：(d)为实心圆球形；(e)为实心长棍形；(f)为实心拱形；(g)为实心螺旋形；(h)为实心英文字母“FDU”；(i)为实心中文汉字“复旦”。
图2为口香糖/氯化钠体系的X射线衍射图，力学拉伸和扫描电子显微镜(以及X射线能谱分析仪)表征结果，具体对应于实施例1的表征，(a)为NaCl、咀嚼后的口香糖以及在NaCl水溶液中进行单一方向拉伸后的口香糖的XRD图谱，XRD结果表明NaCl被均匀地填充在口香糖内部；(b)为咀嚼后的口香糖以及在NaCl水溶液中进行单一方向拉伸后的口香糖的力学拉伸图；(c)为在NaCl水溶液中进行单一方向拉伸后的口香糖的扫描电镜表面形貌图；(d)为在NaCl水溶液中进行单一方向拉伸后的口香糖的扫描电镜截面形貌图；(e)为在NaCl水溶液中进行单一方向拉伸后的口香糖的扫描电镜截面Cl元素分布图，表明Cl元素在其中均匀分散；(f)为在NaCl水溶液中进行单一方向拉伸后的口香糖的扫描电镜截面Na元素分布图，表明Na元素在其中均匀分散，说明NaCl在其中是均匀分布的。
图3为口香糖/氯化钠体系作为智能传感器应用的模型建造，以及随拉伸、压缩、手指弯曲运动做出规律性响应，具体对应于实施例1的表征，其中(a)为口香糖传感器实物图；(b)为口香糖传感器等效示意图；(c)为口香糖传感器随拉伸100％应变范围内的电容变化趋势图；(d)为口香糖传感器随压缩10kPa应力范围内的电容变化趋势图；(e)为口香糖传感器贴在假肢上，其电容随假肢规律性弯曲(弯曲角度从30°到45°，60°，90°再回到30°的过程)时的变化趋势图；(f)为口香糖传感器电容随假肢规律性弯曲时的线性变化趋势图，内部贴图为假肢在不同角度时的照片；(g)为口香糖传感器电容随假肢连续性弯曲时的实时线性变化图，内部贴图为测试中的视频截图。
图4中(a)～(h)为口香糖/氯化钠(食用盐)智能电容式传感器用于多种人体实际运动信号的稳定监测，以及传感器在复杂湿度和温度下传感信号的稳定保持图，具体对应于实施例1。
图5中(a)～(d)为口香糖/精制食用盐智能传感器基于摩尔斯电码(Morse code)原理设计用于信息加密、存储和传输，具体对应于实施例2。
图6为单独口香糖传感器对手指弯曲的电容响应变化趋势，其电容信号变化比较杂乱，存在基线漂移、信号不稳定等问题，具体对应于对比例1。
图7为文献中关于口香糖/多臂碳纳米管(gum/MWCNT)传感器的数据，和本发明内容进行对比分析，具体对应于对比例2，其中(a)为口香糖/多臂碳纳米管(gum/MWCNT)复合物的制备过程示意图；(b)为将gum/MWCNT传感器贴合在人体喉结处；(c)为将gum/MWCNT传感器用于检测头部上下运动产生的传感器电阻信号的变化；(d)为将gum/MWCNT传感器用于检测头部左右运动产生的传感器电阻信号的变化；(e)为将gum/MWCNT传感器用于检测打喷嚏时的传感器电阻信号的变化；(f)为将gum/MWCNT传感器用于检测急促呼吸时的传感器电阻信号的变化；(g)为将gum/MWCNT传感器用于检测正常呼吸时的传感器电阻信号的变化。
图8为本发明的制备流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
口香糖为“益达”口香糖；氯化钠为普通分析纯，食用盐为“中盐”制造的食用盐；VHB使用的型号为3M公司生产的4905牌号；
实施例中构建传感器均为：得到的口香糖/氯化钠复合物，通过商用的3MVHB胶进行三明治式包裹，三层VHB胶中间夹两层口香糖/氯化钠，两层口香糖/氯化钠向外由导电连接，制备平行板式电容器(如图3a-b所示)，制备得到口香糖/氯化钠平行板式电容器，贴附在木头假肢(图8中左下角第二个，图3f-g和图5c-d)或者人体皮肤上(图8中左下角第一个，图4a-f)，构建口香糖/氯化钠智能传感器。
实施例1
将经过20分钟充分咀嚼过的口香糖，分别用去离子水和75％乙醇彻底清洗五遍后，在6mol/L氯化钠溶液中进行单一方向的取向拉伸100次，后用VHB胶进行三明治式封装，构建电容式智能传感器。
如图4所示，其中如图4a上图表示面部抬眉毛时相应的传感器电容变化图；图4a下表示闭眼过程传感器电容变化图，内部贴图为实验过程中的实物图；图4b表示喝水时可以检测人喉结产生运动，相应的传感器电容信号变化，内部贴图为实验过程中的实物图；图4c表示人体肘部在进行重复摆臂过程中(中途稍作停留20秒钟)，贴在肘关节处的传感器随运动产生的电容信号变化图，内部贴图为实验过程中的实物图；图4d表示人在正常运动过程中膝盖产生规律性弯曲，贴在关节处的传感器随运动产生的电容信号变化图，内部贴图为实验过程中的实物图；图4e表示人在步行中脚部规律性的运动，其贴在脚踝处的传感器可以检测出步速和运动状态，内部贴图为实验过程中的实物图；图4f表示人手指在进行重复规律性90°弯曲时，其贴在手指关节处的传感器能灵敏的检测到手指弯曲的幅度和速度，内部贴图为实验过程中的实物图。同时口香糖/NaCl传感器可以在相对湿度50％下，环境温度从20-90℃保持长时间的电容稳定，电容有效值波动不超过14％；以及在相对温度30℃下，相对环境湿度从20-90％保持长时间的电容稳定，电容有效值波动不超过4％(如图4g)；当将NaCl替换为等浓度的可食用食盐后进行相同步骤制备口香糖/食盐传感器，贴在人手指上进行规律性弯曲运动，其信号依然能够稳定重复，同时响应时间能够在700毫秒相对较快时间内，恢复时间也能够在555毫秒内，口香糖/食盐传感器展示出良好的测试性能，内部贴图为测试过程中的视频截图。
实施例2
将经过20分钟充分咀嚼过的口香糖，分别用去离子水和75％乙醇彻底清洗五遍后，在6mol/L可食用的食盐水溶液中进行单一方向的取向拉伸100次，后用VHB胶进行三明治式封装，构建电容式智能传感器。
如图5所示，其中图5a表示本口香糖/精制食用盐智能传感器涉及的加密原则是基于对国际Morse code编码原则(即“一”表示长信号；“·”表示短而急促的信号)，对信息进行转码，将原始的文字信息通过手指规律性弯曲转化为电信号(其中规定：手指45°弯曲代表Morse code中的“·”信号；手指90°弯曲代表Morse code中的“一”信号)(详见图5b)；再通过我们预先编排的翻译对照表(图5b)进行信息的翻译解码，从而实现对重要的信息的加密、传输以及保存。例如图5c通过手指规律性弯曲将求救信号“SOS”转述成手指运动进行传输或是保存，通过图5b中翻译表可以轻松的将信号还原为文字信号，而没有密码表的人则不能破解信号；再例如图5d可以将类似于“ILOVEFDU”这样的密语信号进行隐秘式的传达，同时保证了信息的秘密安全传输，结合图5b的密码表可以快速对加密信息进行翻译。
对比例1
制备不含氯化钠或可食用食盐的口香糖传感器，将咀嚼20分钟后的口香糖经去离子水和乙醇充分洗涤五遍后，直接用VHB胶对其进行三明治式包裹构建电容式传感器。
对比例2
对比例2为文献中使用数据，具体参照文献ACS Applied Materials&Interfaces2015,7(47),26195-26205(题目为：Gum Sensor:A Stretchable,Wearable,and FoldableSensor Based on Carbon Nanotube/Chewing Gum Membrane)，文献中通过表面活性剂F127的辅助分散多壁碳纳米管，在口香糖中单一方向拉伸制备导电的智能口香糖基传感器。
通过实际测试，对比实施例1和实施例2发现，发现在测试过程中对比例1的测试基线会漂移飘动，数值信号会频繁波动，背景噪音较大，实验数据难以重复，实验数据可信度相对较低，如图6所示。对比对比例2发现，其制备过程使用到MWCNT，其购买价格较贵，远高于NaCl和食盐，还会产生大量的废弃物和污染，同时MWCNT的生物安全性也要比NaCl或食盐低很多；其次，通过图7c-g实际测试结果来看，gum/MWCNT传感器在检测人体运动信号时，不论是大形变还是微弱形变，其测试信号的基线都不够稳定，在十多次循环后就有偏差，实验重复性难以得到保证，没有我们制备的口香糖/NaCl体系传感器稳定，可能原因是导电材料MWCNT在弯曲、拉伸形变时，体系内部容易出现断路导致信号质量总体较差。
本发明提供了可大规模快速制备、绿色无污染的口香糖/氯化钠(可食用食盐)的传感器，实现废弃物的再次有效利用，同时减少了环境污染和能源消耗，我们的传感器在实际应用中，不仅可以实现在多种人体运动中的有效监测，还可以对重要信息进行重新编码、保密、存储和传输提供了一种新型的思路，该发明具有潜在的实用价值和应用潜力。

Claims (11)

1.一种复合物，其特征在于，所述复合物原料组分包括：胶基、糖浆、软化剂、色素、橡胶增塑剂、香料、抗氧化剂、以及氯化钠。
2.一种复合物的制备方法，包括：
将咀嚼后的口香糖进行清洗，然后将清洗后的口香糖置于氯化钠或食用盐溶液中，进行单一方向的有序重复拉伸，得到口香糖/氯化钠复合物。
3.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述咀嚼后的口香糖为：口香糖咀嚼时间为10-30分钟。
4.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述清洗为去离子水清洗后用乙醇溶液浸泡洗涤。
5.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述氯化钠或食用盐溶液的浓度为0.5-6mol/L。
6.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述单一方向的有序重复拉伸具体为：单一方向有序取向拉伸50-200次。
7.一种权利要求2所述方法制备的口香糖/氯化钠复合物。
8.一种传感器，其特征在于，所述传感器包含权利要求1所述复合物。
9.一种传感器的制备方法，包括：通过胶对权利要求1所述复合物进行三明治式封装，构建口香糖基电容式智能传感器。
10.根据权利要求9所述制备方法，其特征在于，所述三明治式封装具体为：通过VHB胶进行三明治式包裹，三层VHB胶中间夹两层口香糖/氯化钠，两层口香糖/氯化钠向外由导电连接。
11.一种权利要求8所述传感器在人体运动信号的监测或重新编码摩尔斯电码(Morsecode)中的应用。
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