宾夕法尼亚州立大学领导的一个研究小组在尿布的吸收层之间集成了四个湿度传感器，以创建一个“智能尿布”，能够检测湿度并提醒变化。来源：Huanyu “Larry” Cheng/Penn State

啊！虽然婴儿有一种自然的机制来提醒他们的父母他们需要换尿布，但宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发的一种新传感器可以帮助日托，医院和其他环境中的工作人员为他们的费用提供更直接的护理。

这种新型传感器 - 如此便宜和简单，可以用铅笔手绘到用氯化钠处理过的纸上 - 可以为可穿戴的自供电健康监测器扫清道路，不仅可以用于“智能尿布”，还可以预测心脏骤停和肺炎等主要健康问题。

“我们的团队一直专注于开发能够捕获人类健康重要信息的设备，”宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学纪念副教授Huanyu “Larry” Cheng说。“我们的目标是及早预测疾病状况和健康状况，在为时已晚之前发现问题。

Cheng是发表在《纳米快报》杂志上的一项新研究的主要作者，该研究描述了可靠的手绘电极传感器的设计和制造过程。传感器是用铅笔创建的，画在用氯化钠溶液处理的纸上。水合传感器对湿度变化高度敏感，可在 5.6% 至 90% 的宽相对湿度水平范围内提供准确的读数。

程解释说，对可穿戴传感器的研究因其在医疗健康、灾害预警和军事防御方面的广泛应用而获得动力。他补充说，柔性湿度传感器在医疗保健中变得越来越必要，用于呼吸监测和皮肤湿度检测等用途，但通过简单、低成本的制造工艺实现高灵敏度和易于处置仍然具有挑战性。

“我们想开发一些低成本的东西，人们会理解如何制造和使用 - 没有比铅笔和纸更容易获得的东西，”中国河北工业大学人工智能学院教授李阳说。“你不需要一些价值数百万美元的设备来制造。您只需要能够在处理过的纸上预先绘制的电极的线条内绘制。它可以简单快速地完成。

该设备利用纸张对湿度变化的自然反应方式，并使用铅笔中的石墨与水分子和氯化钠溶液相互作用。当水分子被纸吸收时，溶液被电离，电子开始流向铅笔中的石墨，从而触发传感器，传感器检测环境中湿度的变化并向智能手机发送信号，智能手机显示和记录数据。

本质上，在预处理线内的预处理纸上绘制可创建小型化纸电路板。纸张可以用铜线和导电银浆连接到计算机，作为环境湿度检测器。对于无线应用，例如“智能尿布”和基于口罩的呼吸监测，绘图连接到一个微型锂电池，该电池通过蓝牙为智能手机的数据传输提供动力。

对于呼吸监测器，研究小组将电极直接绘制在经过溶液处理的面罩上。该传感器很容易区分口呼吸和鼻子呼吸，并能够对三种呼吸状态进行分类：深呼吸、规律呼吸和快速呼吸状态。Cheng解释说，收集的数据可用于检测各种疾病的发作，例如呼吸停止和呼吸急促，并为智能物联网和远程医疗提供机会。

图示显示纸上铅笔水合传感器的制造和应用。示意图显示了（a）制造过程和（b）柔性铅笔纸水合传感器的响应机制，以及（c）在健康监测，非接触式开关和皮肤表征中的应用。学分：Huanyu “Larry” Cheng / Penn State

他补充说，呼吸频率是一个基本的生命体征，研究表明它是各种病理状况的早期指标，如心脏事件，肺炎和临床恶化。它还可以指示情绪压力源，如认知负荷、热、冷、体力劳动和运动引起的疲劳。

与呼吸相比，人体皮肤的湿度变化较小，但研究人员仍然能够使用铅笔纸湿度传感器检测变化，即使在测试对象使用化妆水或锻炼后也是如此。Cheng解释说，皮肤是人体较多的器官，所以如果它没有正确处理水分，这可能表明其他一些健康问题正在发生。

“不同类型的疾病状况导致我们皮肤上的水分流失率不同，”他说。“根据这些潜在条件，皮肤的功能会有所不同，我们将能够标记并可能使用传感器进行表征。

该团队还在尿布的吸收层之间集成了四个湿度传感器，以创建一个“智能尿布”，能够检测湿度并提醒变化。

“这个申请实际上是出于个人经历，”程说，他是两个孩子的父亲。“没有简单的方法可以知道湿润的程度，这些信息对父母来说可能真的很有价值。传感器可以在短期内提供数据，以提醒换尿布，也可以在长期内显示可以告知父母孩子整体健康状况的模式。

Cheng解释说，湿度传感器的应用不仅仅是“智能尿布”和呼吸和汗水监测。该团队还将传感器部署为非接触式开关，它可以从手指的存在中感知空气中的湿度变化，而无需手指接触传感器。该团队使用非接触式开关操作小型电梯，弹奏键盘并点亮LED阵列。

“手指上的原子不需要触摸按钮，它们只需要靠近表面来扩散水分子并触发信号，”Cheng说。“当我们想到我们从大流行中学到的关于限制身体与共享表面接触的必要性时，像这样的传感器可能是阻止潜在污染的重要工具。”