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一场由智能手机驱动的体域网革命正在萌芽。来自新加坡国立大学、亚利桑那大学与清华大学深圳国际研究生院等机构的联合团队，在《自然·电子学》上展示了一种无电池、可穿戴的超材料纺织品网络。通过分离13.56 MHz（供电）与2.4 GHz（通信）通道，该团队让智能手机能够同时为多个贴附在皮肤上的传感器无线供电，并以低于传统BLE数十倍的发射功率实现高保真数据传输。在跑步、通勤与睡眠等动态环境中，这套系统首次展示了可连续监测收缩压的能力，精度满足FDA与AAMI标准。
连续血压监测的“硬伤”：笨重电池、低速率与运动伪迹
全球约三分之一的成年人受高血压困扰。与偶测血压相比，连续收缩压监测能更真实地反映心血管负荷、药物反应及昼夜节律。然而，当前主流方案——袖带式血压计——不仅要求受试者静止，而且只能捕获瞬态值。
表皮电子曾被视为理想替代方案：贴附在皮肤上的微型传感器可以连续采集心电、光电容积描记等信号。但现实中的部署存在三个“硬伤”：
– 电池困境：即使采用低功耗蓝牙，一枚可连续工作24小时的表皮传感器也离不开小电池，这会显著增加厚度、降低敷贴舒适度，且需要频繁更换。
– 充电与通信的“二选一”：现有无线体域网常采用近场通信（NFC）或蓝牙低功耗（BLE）。NFC（13.56 MHz）可实现数毫瓦级无线供电，但数据速率极低（通常<424 kbps），无法支撑多路同步心电/血氧信号实时上传。BLE（2.4 GHz）支持高速通信，但功耗高、远场辐射易受人体组织衰减，且电池供电本质仍未摆脱“有源”限制。
– 运动伪迹：即便解决了电源与通信，跑步或跳跃时传感器与皮肤的相对位移仍会严重污染心电和血氧信号。过去多数研究仅在静止或慢走条件下验证，真正在12 km/h跑步状态下连续监测血压几乎未见报道。
一句话总结：高功率传输效率、高数据速率与无电池自由运动，三个目标长期以来互斥。
一件衣服如何化身“双模超材料基站”？
本研究核心是一个双模超材料纺织品。它并非简单的导电织物，而是将两种功能集成在一件棉涤混纺衬衫上：
图1：双模超材料纺织品的无电池表皮传感器网络。
– 供电模式（13.56 MHz）：利用共面电感图案与SSP结构作为导线，将智能手机NFC线圈激发的交变场引导至身体远端多个终端（手腕、胸部等）。每个终端可在1 cm距离内为表皮传感器提供约16 mW的整流功率——足以驱动心电、血氧传感器及BLE芯片。
– 通信模式（2.4 GHz）：同一SSP结构转化为波导，使2.4 GHz蓝牙信号以表面等离激元样波形式沿衣服传播，而非向自由空间全向辐射。这不仅将链路预算提升>25 dB，还天然将信号束缚在体表附近，增强隐私性。
为什么过去没人这样做？
传统NFC线圈只能实现点对点近场耦合（厘米级范围），而常规BLE依赖远场辐射，受人体组织吸收严重。本研究通过同一超材料结构同时扮演“导线”与“波导”，在物理层面分频复用——13.56 MHz走“传导路径”，2.4 GHz走“表面波路径”，互不干扰。
图2：双模超材料纺织品设计与表征。
新旧技术对比（数据均来自原文）
关键创新数据：
– 在-40 dBm发射功率下，BLE丢包率可忽略不计，平均延迟仅22.2 ms（传统方案在-12 dBm下延迟62.6 ms且不稳定）。
– 与无超材料相比，通信性能增强>25 dB。
– 电源效率：16 mW输出可同时为数字/RF（1.8 V）和光电子（3.3 V）供电，无需最大功率点追踪IC，减小了传感器面积。
从台架到人体：跑步、通勤、睡眠中的连续血压监测
研究团队进行了多层次的验证，其中最具说服力的是真实场景的人体试验。
图3：无电池表皮传感器的设计与表征。
1. 电源与通信鲁棒性
– 位移容差：接收线圈横向偏移11 mm内，供电效率仍维持在5%以上（无超材料时趋近0%）。
– 洗涤测试：70°C水中浸泡20小时，性能变化<5%。符合ISO 6330标准多次机洗后电阻无明显变化。
– 热安全：连续工作3小时，表面温度升高<2%。
2. 信号质量与运动伪迹抑制
– PPG抗运动：在手腕拍击实验中，传统腕带式设备运动伪迹幅度为脉搏信号的1.99倍，而本研究表皮传感器仅0.75倍。
– ECG干电极：采用铂薄膜干电极（直径18 mm），150小时内阻抗从8.05 kΩ略降至7.25 kΩ（凝胶电极阻抗反而上升228.7%）。透气性比凝胶电极高23倍。
3. 连续血压监测的核心结果
– 原理：利用同步ECG与PPG计算脉搏波传导时间（PTT），再通过线性模型SBP = β₀ + β₁×PTT估计收缩压。
– 精度：2小时连续监测（单次校准）vs 袖带式金标准，平均差值0.86 mmHg，标准差3.8 mmHg，满足ANSI/AAMI SP10标准（平均差≤5 mmHg，标准差≤8 mmHg）。
– 多受试者（n=5，含2女3男）：全数据点（103次测量）Bland-Altman分析显示偏差在临床可接受范围内。
4. 动态场景“极限测试”
– 跑步机：速度4→12 km/h，袖带式只能在休息时测量（M1≈80 mmHg，M2≈125 mmHg，M3≈110 mmHg），而本系统捕捉到12 km/h时SBP峰值达160 mmHg——该峰值被近期文献证明与心血管死亡率密切相关。
– 通勤：40分钟行程（步行→地铁→班车），连续展示血压随活动强度实时波动。
– 睡眠：6.5小时无干扰记录，显示深睡期SBP较日间下降约15%，与健康生理规律一致。
从实验室到商业化：还需要跨越哪些障碍？
对行业的三重意义
1. 重新定义“可穿戴”——从“戴电池的设备”到“无感表皮”
过去十年，智能手表的核心痛点仍是续航与充电。本研究展示了一条新路径：服装成为能量与数据的基础设施，传感器变成一次性敷贴式的“消耗品”。这可能催生全新的商业模式——例如医院以极低成本为术后患者配置一次性心电/血氧贴片，通过普通衣物实现无线护理。
2. 高血压管理从“偶测”到“连续轨迹”
晨峰血压、夜间血压下降率等动态指标已被证明比诊室血压更具预后价值，但此前缺乏无感监测工具。本研究的精度（SD=3.8 mmHg）虽仍略低于动态袖带（SD≈2-3 mmHg），但无运动限制的优势是颠覆性的。
3. 体域网从“单一传感器”到“多节点融合”
论文中最多演示了6个终端同时工作。未来若结合边缘计算，可实现心电图、肌电、血氧、体温等多模态融合，对晕厥鉴别、心律失常筛查、睡眠呼吸暂停诊断提供连续的生理“全息图”。
商业化距离与难点
– 智能手机集成：目前需用“假NFC标签”强制手机持续发射场。未来需手机厂商开放API或定制低层控制，或单独设计一个微型集线器。
– 个体校准：PTT-to-SBP模型因人而异，且随时间漂移。本研究中单次校准后2小时内保持精度，但全天候使用可能需要更智能的自适应算法。
– 抗洗涤与耐久：目前织物在多次洗涤后性能稳定，但若作为日常衣物（每周洗1-2次），寿命是否超过6个月尚未验证。
– 皮肤长期反应：虽然干电极透气性优于凝胶，但连续佩戴数天是否引起炎症或过敏？论文未提供>150小时的皮肤安全性数据。
距离“万能贴片”还有多远？
这项研究的贡献在于巧妙绕开了无线体域网长期存在的“功率-速率-自由运动”三元悖论，并用系统级实验证明了一件超材料衬衫可以让智能手机同时扮演“充电桩”与“路由器”。数据质量在静止和动态下均达到临床相关标准。
但我们仍需清醒看到三个未解问题：
1. 个体间PTT模型泛化性：图S24显示，若使用人群平均模型而非个人校准，误差显著增大。这意味着大规模商用仍需“用户主动校准”，影响开箱即用体验。
2. 传感器回收与复用：无电池设计虽好，但每个传感器含铂电极、柔性PCB和芯片，若作为一次性产品，成本和环境负担尚不明晰。
3. 运动伪迹的根本消除：尽管优于腕带式设备，但在剧烈跳跃时（补充视频未展示极端冲击），PPG信号仍会出现短暂饱和。对于需要预警跌倒或心律失常的场景，这一残留伪迹可能造成假阳性。
总体而言，该研究为体域网指出了一个务实的方向——不必追求单个传感器“什么都能做”，而是让服装成为普适的无线能量与通信背板。若未来能在智能手机生态、纺织工艺成本与长期生物相容性上继续突破，我们或将在5年内看到第一批“无电池、无感、连续监护”的临床级产品进入心衰、高血压与睡眠障碍患者的日常生活。
Kurt, S.A., Kasper, K.A., Xu, Q. et al. A battery-free wireless epidermal sensor network for continuous systolic blood pressure monitoring. Nat Electron (2026). https://doi.org/10.1038/s41928-026-01597-1
END
撰文 | 郝娅婷
编辑 | 余帆
审核 | 医工学人理事会
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