Nature Electronics！无电池无线表皮传感器网络：基于超材料织物的连续无创血压监测系统

一、研究背景

高保真表皮传感器在生理信号连续监测中具有重要意义，可为疾病的早期诊断、长期管理与精准治疗提供关键支撑。随着电子学与材料科学的快速发展，可分布于人体表面的微型化表皮传感技术不断突破，能够实现多维度健康状态实时监测，并支持个性化医疗干预。高血压已影响全球近三分之一成年人，因此“连续血压监测”成为心血管疾病预警与诊疗的核心生物标志。传统袖带式血压计仅能获取瞬时数值，且要求被测者保持静止，难以反映真实生理波动。与之不同，分布式表皮传感器网络可实现血压的长时间、动态连续监测。然而，当前表皮传感系统仍存在侵入性强、工作时长短等问题，其核心瓶颈在于供能方式受限——传统电池体积大、佩戴舒适度差、监测保真度不足，且需要频繁更换，严重限制了实际应用。

采用无线能量传输技术的无电池传感器，可将供能单元集成于日常环境（如床品、家具），有效缓解上述局限。这类无线无源表皮传感器能够以高保真度采集多路生理信号，已被用于全身压力与温度成像、新生儿重症监护室连续生命体征监测等场景。但现有方案多依赖近场耦合或远场辐射供能，当传感器远离发射天线时能量急剧衰减，导致人体活动受限，或仍需搭载微型电池才能维持连续工作。

超材料织物以衣物为载体，可实现无线能量与信号的定向传输，能够驱动微型传感器并实现完全无电池工作。通过NFC或低功耗蓝牙（BLE），这类智能织物可为全身表皮传感器供电并建立通信连接，支持自由活动状态下的长期健康监测，同时可直接利用智能手机作为供能与控制终端。然而，现有超材料织物系统大多仅支持“单一工作模式”，难以兼顾高速通信与高效供能，导致高保真、多模态生物信号监测难以实现。工作在BLE频段的超材料织物虽可将通信性能提升30 dB以上，但无线能量传输效率偏低；而基于NFC的织物方案虽能量传输效率高，却受限于数据传输速率。因此，能够同时实现高效无线供能与高速数据通信的一体化人体域传感方案仍亟待突破。

为此，新加坡国立大学John S. Ho教授、美国亚利桑那大学Philipp Gutruf教授与清华大学深圳国际研究生院田曦研究员联合提出一种由超材料织物支撑的无电池无线表皮传感器网络，可实现收缩压（SBP）的连续、稳定监测。该系统采用双模超材料织物，分别利用13.56 MHz NFC实现高效无线供能，利用2.4 GHz BLE实现高速数据传输，将能量通道与通信通道分离。该织物由图案化导电纤维制成，可无缝集成于日常服装。系统以智能手机为中心，通过超材料网络实现多路无源表皮传感器的无线供电与生理信号同步采集。实验结果表明，相较于传统近场衣物方案，该表皮传感器网络的采样速率提升超过100倍，同时保持高效无线供能能力。研究进一步证实，该系统可在运动等复杂动态环境下，通过双路ECG与PPG表皮传感器的无线组网，实现连续、可靠的血压监测。

二、研究亮点

1. 首次将13.56 MHz NFC 无线供电与2.4 GHz BLE 高速通信分离通道集成于可穿戴织物，实现高效供电 + 低时延传输。

2. 超薄柔性、蛇形结构可共形贴肤，抗运动伪影能力显著优于传统手环与湿电极。

3. 手机 NFC 直接给传感器供电，无需额外充电底座 /hub，贴近日常使用。

4. 基于ECG+PPG 同步→PTT→SBP，单次校准即可连续测压，支持运动、睡眠、通勤动态测量，精度满足 FDA/AAMI 标准。传感速率提升 >100 倍 ，BLE 发射功率可低至 -40 dBm 仍稳定连接，时延显著降低。

三、研究内容

图1：基于超材料织物的无电池表皮传感器网络

图1呈现了基于双模超材料织物的表皮传感器无线供电与组网方案，通过13.56 MHz 供电与2.4 GHz 通信双通道分离设计，实现无电池表皮传感器的高速、连续生理监测。该织物集成人工表面等离子体激元（SSP）波导与互联式平面电感阵列，协同支撑双模工作：SSP波导负责2.4 GHz频段高效表面波传输，平面电感则作为13.56 MHz中继，实现电能在人体不同位置的分布式供给。

在供电模式下，SSP结构作为导线传导NFC感应电流，将智能手机的供电范围延伸至远端无电池传感器；在通信模式下，梳状SSP波导引导2.4 GHz ISM频段表面波传播，实现低损耗、高速率的体域网通信。最终，表皮传感器可通过NFC harvesting供电，采集多部位生理信号并经BLE回传至手机，保障动态场景下的稳定监测。

该超材料织物可无缝集成于棉涤衬衫，在终端1 cm范围内可实现可靠供电与通信。经测试，织物在70 ℃水浴20 h后电气性能变化小于5%，连续工作3 h温升低于2%，具备优异的稳定性与穿戴耐久性。

图2：超材料织物设计与特性分析

该可穿戴设备采用6匝表皮NFC天线，可在4V系统电压下输出最大功率，无需最大功率点跟踪电路，直接为数字/射频模块（1.8V）与光电器件（3.3V）供电，提升效率并缩小体积；在4V整流电压、980Ω负载下，最大能量捕获可达16 mW。超材料织物的刚度与透气性均处于舒适区间，未涂层版本透气性更佳，涂层版本耐用性更强，可满足长期穿戴需求。

系统测试表明，该织物在13.56 MHz供电频段可实现最高17%的无线传输效率，横向位移＜11 mm、垂直距离＜6 mm时保持高效供电，且对旋转与多终端扩展具有良好稳定性。在2.4 GHz通信频段，依托SSP波导的表面波传输使BLE通信性能提升25 dB，发射功率可低至-40 dBm仍稳定连接，平均时延由62.6 ms降至22.2 ms，功耗显著降低。在模拟人体组织的测试环境中，织物可在位移12 mm、距离7 mm范围内保持一个数量级以上的传输增益，对角度失配不敏感，可在日常穿戴条件下实现稳定、高效的无电池传感器组网。

图3：无电池表皮传感器的设计与特性

研究团队提出了可采集 ECG 与 PPG 信号的无电池无线表皮传感器，采用蛇形互联结构实现柔性贴肤与高拉伸性，可适配运动与日常穿戴场景。传感器通过 1.8 cm×3 cm 的 6 匝 NFC 线圈 harvesting 13.56 MHz 能量，经整流稳压后输出 3.3 V 与 1.8 V，分别供给光电模块与 BLE 系统。芯片内置 19 位 ADC 采集 PPG、18 位 ADC 采集 ECG，经 BLE 将带唯一 ID 的生理数据回传至手机，支持多节点扩展。ECG 采用 18 mm 激光图形化超薄干式铂电极，无需导电凝胶，长期佩戴稳定性与贴附性显著优于传统湿电极与刚性干电极。

测试表明，该表皮传感器抗运动伪影能力突出，在动态条件下可完整捕获心跳信号，信噪比远高于商用腕带与传统有线 / 无线 ECG 设备。150 小时长期测试显示，干电极阻抗随使用略有下降，而凝胶电极阻抗大幅上升；30 天透气测试表明，干电极水蒸气透过率高出凝胶电极 23 倍，兼具长期可靠性与穿戴舒适性。

图4：表皮传感器网络的验证

图4对比了表皮传感器无线采集与商用有线生理监测系统（BIOPAC MP46）获取的健康成人 ECG 和 PPG 信号。在喝咖啡、屏气等生理挑战实验中，两组数据高度吻合。

Bland–Altman 分析显示：心率平均偏差 ?0.02 bpm，标准差0.5 bpm；血氧饱和度平均偏差 ?0.07%，标准差0.8%，血氧精度均方根0.81%，全部满足FDA 医疗级设备标准 。

与 Apple Watch S6 相比，该表皮传感器在心率与血氧测量上偏差更小、一致性更高，精度与可靠性显著优于消费级智能手表，具备临床级健康监测的实用价值。

本研究通过表皮传感器网络实现了运动后PTT的无线连续记录，系统基于时间戳每5 ms完成ECG与PPG信号同步，保证了PTT计算精度。超材料织物提供了稳定的无线链路，显著降低丢包率，使同步更快速可靠。与有线金标准系统对比结果显示，无线测量的平均偏差仅0.53 ms，标准差5.34 ms，验证了系统在PTT测量中的准确性与可靠性。

基于PTT与SBP的线性关系，研究通过单次校准获取模型参数β?与β?，并实现长达2小时的连续血压估算。与商用袖带式血压计对比，仅单次校准的平均偏差为0.86 mmHg，标准差3.8 mmHg；每30分钟重复校准可进一步提升精度，平均偏差1 mmHg，标准差2.55 mmHg。结果满足ANSI/AAMI SP10医疗级血压监测标准，证实其定量有效性。

该系统突破了传统可穿戴设备“必须电池供电、体积大、无法自由移动”的瓶颈，借助超材料织物实现表皮传感器与智能手机的无缝互联，可在真实生活场景中持续工作。实验验证了系统在通勤、睡眠、运动三大典型场景下的稳定性：

- 通勤过程中可实时监测心率与血压变化；

- 睡眠监测长达6.5小时，不干扰睡眠，可准确捕捉夜间血压下降趋势；

- 运动状态下（跑步机速度4–12 km/h）仍可稳定测量，捕捉到袖带设备无法检测的运动峰值血压（最高达160 mmHg），对心血管风险评估具有重要价值。

为进一步验证普适性，研究对5名健康受试者开展了骑行运动下的多对象测试。结果显示，在动态生理条件下，系统仍保持临床可接受的测量精度（n=103个数据点）。Bland–Altman分析证实，估算值与商用血压计参考值具有良好一致性。综上，该无电池表皮传感系统在动态环境下稳健可靠，适用于不同人群，具备在日常连续健康监测中实际落地的潜力。

四、总结与展望

本研究提出一种无电池、无线表皮传感器网络，依托双模超材料织物实现高效供电与高速通信，可在运动等动态环境下连续、高保真监测收缩压。系统轻薄贴肤、抗运动干扰，传感速率较传统近场衣物提升100倍以上，测量精度与袖带式金标准相当，可在通勤、睡眠、运动等全场景实现长期多模态生理信号追踪。

未来可将PTT血压算法集成至移动设备，实现实时血压监测；并通过自适应NFC供电进一步提升能效。该系统在心血管疾病早期筛查、远程医疗与资源匮乏地区健康监测中具备重要应用价值。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41928-026-01597-1