生物医学工程学院本科生以第一作者身份在Advanced Functional Materials发表研究论文

❖

日前，生物医学工程学院2021级本科生陈泓宇以及2020级本科生许思烨同学，以共同第一作者身份撰写的论文发表在纳米材料领域重要期刊Advanced Functional Materials。该论文通过充分发挥聚氨酯纳米织物优异的吸水性、拉伸性和皮肤保形性等一系列性能，实现了可以用作汗液传感器的纳米织物式电子皮肤。通过与目标检测算法YOLOv3配合，最终实现了高准确率排汗量智能检测，该工作有望用于运动过程中身体实时状态检测。这是生物医学工程学院本科生第一次以第一作者身份在该领域顶级期刊发表论文。

图1. 基于纳米织物和目标检测算法的智能比色法电子皮肤示意图

 研究过程

近年来，生物医学工程学院全面落实立德树人根本任务，以学生成长为中心，深化“三全育人”综合改革，建立了“实验实训+科研训练+实习实践”的工科实践教学体系，依托“导师团”创新培育计划支持本科生参加各类科研训练，推动学生对专业早认识、科研早启蒙和未来发展早规划，提升学生的学习力、思想力、行动力。得益于生物医学工程学院的本科生导师团制度，陈泓宇和许思烨两个同学基于对柔性电子的热爱，都选择了乔彦聪助理教授作为导师，并申报了大学生创新训练项目《基于纳米织物的智能排汗量传感器》。项目于2022年10月结题后，经过一年的补充实验，整理数据和撰写论文，于2023年10月完成投稿。期间两位同学获得乔彦聪助理教授和周建华教授全程细致指导，学术科研能力快速提升。

 期刊简介

Advanced Functional Materials是Wiley出版集团旗下的老牌期刊，于2001年创刊，致力于研究材料科学各个方面的突破性研究，包括纳米技术、化学、物理和生物学等，属于该领域的一流期刊。创刊以来吸引了广大科研人员的关注，在国际材料领域积累了卓越的口碑。

 论文摘要

随着社会经济的发展和全民运动的风潮兴起，人们对于运动过程中生理信号检测的需求日渐加强。排汗是人体在运动时候重要的生理过程，是身体调节体温的一种重要方式。准确监测排汗量对于评估身体状态以及运动强度至关重要。然而目前的排汗量检测主要基于微流控装置进行汗液采集和测量，通过化学反应产生颜色变化，利用比色法推测出排汗量。但是微流道装置的制造复杂性和高成本以及比色法的化学试剂安全等问题仍有待解决。

纳米织物由于其极薄的厚度，多孔性以及良好的机械性能，能够无感觉佩戴同时监测各种生理信号。基于物理特性与实际需求，在本研究中，团队通过静电纺丝的方法实现了聚氨酯纳米织物制备。为了实现对纳米织物的吸汗量进行高准确率分类，排除皮肤颜色、光线和背景等因素的影响，研究团队基于聚氨酯纳米织物的微观结构提出了有限元仿真模型，该模型基于朗伯比尔定律计算入射光与透射光光强之间的关系，模拟了不同吸汗量状态下纳米织物的厚度变化和对应的透光度变化。该理论解释了纳米织物的透光度变化的原因，对指导织物型体液传感器设计具有重要意义。

最后，研究团队首次将目标检测算法YOLOv3运用在了对纳米织物的状态分类中。算法包含5次下采样来提取纳米织物在不同尺度和角度下的特征，然后通过3次上采样融合生成3个Feature Maps进行目标检测。这有助于模型捕捉不同大小和性状的纳米织物图案。将纳米织物图片数据集作为数据库用于训练YOLOv3模型，训练后模型对纳米织物吸汗量的分类准确率高达97.0%。

图2.聚氨酯纳米织物与YOLOv3目标检测算法结合用于排汗量检测

 学生感想

项目结题之后乔彦聪老师鼓励我把成果转换为论文，一开始我还是很惊讶的，觉得发表论文距离自己还是太过遥远，但是经过一年的补充实验，投稿到被拒稿，一年后终于成功把论文投了出去。我第一次感受到了科研带来的乐趣，也希望学弟学妹能够早日找到自己心仪的科研方向，不畏科研的艰苦与遇到的失败，努力攀登高峰。

——2021级本科生 陈泓宇

在这一次大创成果转化的进行过程中，遇到过各式各样的问题，也经历过不少失落和想要放弃的时刻。在乔彦聪老师的帮助下，一步一个脚印地补充实验改良方法，从一开始眼高手低，到最后脚踏实地，终于得到好的结果。科研很难也很简单，在科研的过程中会有无数的困难，但当你找准方向后务实研究后，一定能有所获得。

——2020级本科生 许思烨

--- 中大教务部 ---

来源：生物医学工程学院

初审：范文娟 卢也晰

审核：吴慧英 董苑玫

审核发布：陈省平