液态金属奇普绳结的压力传感性用于低成本胃肠道压力监测

消化道测压可反映消化道动力性疾病的生理病理改变情况，准确反映消化道腔内基础压力及其压力变化的频率、幅度、动力指数等，对胃肠运动功能疾病的诊治有较高的价值。目前，胃肠道测压往往依赖昂贵复杂的压力传感系统。

为了构建低成本、便携的胃肠道测压系统，来自麻省理工学院的研究人员利用奇普绳结原理对填充液态金属的硅胶管打结，通过优化绳结的结构和制备工艺，液态金属奇普绳结的压力传感性能可以媲美商品化的胃肠道传感器，并且具有低成本（每厘米仅为$0.26）、易于制备等优点。相关研究成果以“Low-cost gastrointestinal manometry via silicone–liquid-metal pressure transducers resembling a quipu”为题，发表于Nature Biomedical Engineering期刊。

奇普（Quipu）绳结是世界六大古文明之一的安第斯文明中用来记录信息的一种形式，它利用绳子的颜色、绳结结构和分布来记录信息。研究人员发现，对填充液态金属的硅胶管进行打结后，可以显著增强绳结处的压力灵敏度。可能的原因是，对绳结处施加压力时，由于剪切应力导致导管横截面的纵横比增加，使其在相同载荷条件下比未打结的情况下对变形更敏感。其次，类似于串联弹簧，由于打结折叠并堆叠到自身上的每个导管层都经历了垂直于堆叠平面的相同外部压力分量，从而导致有效总压力的放大。这种设计在一定程度上赋予了液态金属导管对压力刺激空间分辨的能力。这种将古文明储存信息的方式用于调控液态金属压力传感器灵敏度的做法非常巧妙。

图1 液态金属奇普绳结的制备、不同绳结结构对传感性能的影响以及在不同使用场景下的稳定性评价。

图2 利用压力反馈精确控制打结过程，并利用紫外固化胶水对绳结结构定型，从而提高液态金属奇普绳结的传感性能，并结合仿真模拟分析绳结传感特性。

图3 通过对通道数量和绳结数目的优化组合来提升传感器的空间分辨能力。

图4 利用多通道液态金属奇普绳结评估人造食物通过过程中的食道压力以及直肠抑制反射期间的直肠压力。

图5 液态金属奇普绳结传感器和商品化的胃肠压力传感器（EndoFLIP）以及金标准（High-resolution manometry）的对比结果。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41551-022-00859-5

审核编辑 ：李倩