中科院力学所/香港城大/清华大学合作，最新Nature！

不用电池、不怕偏移：一种可降解植入式传感器，把信号读到了16厘米深处

精准获取人体内部的压力、温度、应变等生理信号，是疾病诊断和精细化治疗的基础。然而，现有手段要么依赖核磁、CT、超声等大型成像设备，难以连续监测；要么依赖植入式电子器件，却往往需要电池、芯片或磁体，存在二次手术取出的风险。近年来出现的可降解无线传感器为这一难题带来希望，但其核心瓶颈始终未解：读数距离短、角度敏感，一旦植入体发生位移，信号就会失真甚至消失。如何在真实、不可控的体内环境中，实现稳定、远距离、宽角度的无线读出，是该领域长期未能跨越的技术鸿沟。

今日，中科院力学研究所苏业旺研究员联合香港城市大学于欣格教授和清华大学李爽副研究员提出了一种柔性、可完全降解、无需电池的无线植入式传感平台。研究团队通过原创性的“极点移动扫描（pole-moving sweeping）”读出机制，突破了传统LC无源传感在距离和角度上的限制，实现最远16厘米、宽角度条件下的稳定读数。结合力学-电磁协同设计的折叠式传感结构，该系统在马腹腔内成功实现了压力和温度的在体监测，展示了其在真实临床环境中的应用潜力。相关成果以“Soft biodegradable implants for long-distance and wide-angle sensing”为题发表在《Nature》上，第一作者为Yuqun Lan。

研究的起点，来自一个临床现实：植入体在体内的位置、角度、距离，几乎不可能被精确控制（图1a）。传统无源LC传感系统依赖固定激励频率扫描，一旦读写线圈之间的相对位置发生变化，信号就会迅速衰减，导致频率峰难以识别。图1b给出了整个平台的系统构成：体外读出端由电感、电容和电阻组成，体内传感器则是一个完全可降解的LC谐振回路。真正的关键在于图1c——研究团队发现，如果不再让系统“盯着频率扫”，而是在扫描频率的同时，让系统的一个极点随之移动，就能在噪声和耦合变化中，始终保留一个清晰、稳定的相位“谷值”。这正是“极点移动扫描”机制的核心思想。

图1：提出临床中“距离与角度不可控”的核心难题，并引入极点移动扫描读出机制

在图2a中，研究人员用耦合模理论对系统进行建模，对比了传统系统、PT对称系统、异常点锁定系统与新方案在极点-零点结构上的差异。以往方案的极点在扫描过程中是“静止”的，因此对距离和角度变化极其敏感。而在图2c、2d中，新系统的一个极点会随扫描频率动态移动，并始终靠近传感器共振位置。这一变化看似微小，却极大增强了相位响应强度（图2f、g），即使在弱耦合、远距离条件下，依然能形成清晰可识别的信号谷。更重要的是，图2l、m的实验结果表明：在相同精度要求下，该系统的可读距离范围和角度容忍度均显著扩大。在25 cm距离下，角度可变化至45°仍可稳定读数，而传统系统在10 cm外几乎完全失效。

图2：从理论与实验层面对比新系统与传统系统的读出稳定性与鲁棒性

读出系统解决后，新的挑战随之而来：如何在柔性、可降解的前提下，做出高性能传感器？图3a展示了一种将力学与电磁设计深度融合的折叠式结构。研究人员将镁-聚乳酸复合薄膜激光刻蚀成蛇形线圈，通过多次180°扭转和折叠，在无需焊接的情况下，实现多层串联电感结构。有限元分析（图3b）显示，这种折叠并不会引入危险的局部应变；而图3e、f进一步证明，多股蛇形结构不仅降低了拉伸刚度、提高了柔顺性，还在高频条件下降低了电阻损耗，为远距离无线读出奠定了结构基础。

图3：展示兼顾柔性、可降解与电磁性能的折叠式传感结构设计

基于该结构，团队分别构建了应变、压力和温度传感器（图4a–h）。应变传感器在0–18%范围内呈线性响应，而即便读出距离从6 cm变化到12.6 cm，频率误差也仅相当于约1%的应变（图4d），显示出系统对距离扰动的强大鲁棒性。压力与温度传感器则通过电容变化实现感知，其有效读出距离可达16 cm，角度容忍范围扩展至60°。更重要的是，在PBS溶液和大鼠体内实验中（图4i、j），传感器在降解过程中仍能维持稳定读数数天至数周，为“任务完成后自动消失”的植入式应用提供了现实可能。

图4：应变、压力、温度三类传感器的性能与降解行为验证

图5a、b展示了该系统在离体猪心上的应变监测实验，传感器成功捕捉到不同频率下的周期性形变信号。随后，研究团队搭建了“人体-猪肉”混合模型（图5c），模拟真实人体呼吸、组织衰减和微小位移。在这一极具挑战性的条件下，传统系统几乎无法识别信号，而新系统在自由呼吸、5 cm组织覆盖条件下仍可稳定读数（图5d–g）。最引人注目的，是图5h–k所示的马腹腔在体实验：研究人员在手术后即时和5小时后，成功监测到腹腔压力和核心体温的变化，分辨出体位改变和肠道蠕动引起的细微差异。这标志着该技术首次在大动物深部组织中实现了可靠验证。

图5：从离体组织到大动物在体实验，验证系统在真实环境中的可靠性

小结

这项研究不仅提出了一种全新的无线读出机制，更重要的是，它正视并解决了真实临床环境中的“不完美条件”。通过极点移动扫描与可降解柔性结构的协同设计，团队首次实现了远距离、宽角度、无需电池的植入式无线传感，在工程可行性和医学安全性之间找到了关键平衡点。未来，这一平台有望成为医学影像的重要补充，为已需手术干预的患者提供连续、精准的深部生理信息，也为下一代“用完即消失”的智能植入器件奠定基础。