Биоинтерфейс. Конформная наносенсорика

Н А У Ч Н А Я  М Ы С Л Ь

С. Ю. ИЛЬИН
В.В. ЛУЧИНИН

БИОИНТЕРФЕЙС

КОНФОРМНАЯ

НАНОСЕНСОРИКА

МОНОГРАФИЯ

Москва

ИНФРА-М

2023

УДК 621.31(075.4)
ББК 31.2

И46

ФЗ 

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 

в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

А в т о р ы:
Ильин С.Ю., кандидат технических наук, научный сотрудник СанктПетербургского 
государственного 
электротехнического 

университета «ЛЭТИ» имени В.И. Ульянова (Ленина);
Лучинин В.В. (1950–2023), доктор технических наук, профессор, 
главный 
научный 
сотрудник 
Санкт-Петербургского 

государственного 
электротехнического 
университета 
«ЛЭТИ» 

имени В.И. Ульянова (Ленина)

Ильин С.Ю.

И46

Биоинтерфейс. Конформная наносенсорика : монография /

С.Ю. Ильин, В.В. Лучинин. — Москва : ИНФРА-М, 2023. —
274 с. — (Научная мысль).

ISBN 978-5-16-111675-3 (online)

В 
монографии 
рассмотрены 
современное 
состояние 

и перспективы 
развития 
высокотехнологичных 
конформных 

наносенсоров, 
предназначенных 
для 
IoP-мониторинга 

биопараметров
и 
тактильного 
IoP-мониторинга. 
Системно 

представлены современные решения физических наносенсоров 
биопараметров (сенсоры давления, сенсоры деформации, сенсоры 
температуры, сенсоры влажности), а также мультисенсорных 
платформ на их основе, которые можно использовать как имплантируемые, эпидермальные или носимые IoP-элементы. Представлен 
широкий спектр инновационных разработок элементов и устройств 
конформной наносенсорики.

Предназначена
для 
инженеров, 
научных 
работников 

и преподавателей, 
специализирующихся 
в 
области 
гибкой 

электроники и конформной наносенсорики, а также для студентов 
соответствующих специализаций.

УДК 621.31(075.4)

ББК 31.2

ISBN 978-5-16-111675-3 (online) 
© Ильин С.Ю., 
Лучинин В.В., 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ ................................................................................................................4

ВВЕДЕНИЕ ...........................................................................................................................8

Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ НАНОСЕНСОРЫ БИОПАРАМЕТРОВ ..............9

1.1. Наносенсоры давления и деформации ..............................................................................10
1.2. Наносенсоры температуры и влажности ..........................................................................27

Глава 2. МОНИТОРИНГ БИОПАРАМЕТРОВ ..................................................31

2.1. Мониторинг сердечно-сосудистой системы.....................................................................31
2.2. Мониторинг двигательной активности .............................................................................52
2.3. Мониторинг дыхания ...............................................................................................................83
2.4. Мониторинг эмоционального состояния ..........................................................................92 
2.5. Мониторинг голосовой активности и распознавание речи ..................................... 101
2.6. Мониторинг жестикуляции и распознавание жестов ............................................... 113

Глава 3. ТАКТИЛЬНЫЙ МОНИТОРИНГ ........................................................ 124

3.1. Тактильное 2D-восприятие ................................................................................................. 124
3.2. Тактильная визуализация .................................................................................................... 151
3.3. Тактильное HMI-управление и биоидентификация ................................................. 165
3.4. Тактильная бионическая наносенсорика ....................................................................... 182

Глава 4. МУЛЬТИСЕНСОРНЫЕ ПЛАТФОРМЫ ......................................... 194

4.1. Мультисенсорный мониторинг биопараметров .......................................................... 194
4.2. Мультисенсорный тактильный мониторинг ................................................................ 228

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................................. 239

ОБОЗНАЧЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
И ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ .................................................................... 241

СОКРАЩЕНИЯ ............................................................................................................. 242

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ......................................................................................... 251

В современном мире все более актуальны тенденции к сохранению
и генерации «человеческого капитала», повышению качества жизни.
Развитие этих тенденций невозможно вне рамок создания персонифицированной биотехносферы индивида, важнейшую роль в которой
играют биоинтерфейсы. Как отражение этих процессов сформировалось понятие «Интернет людей» (Internet of People – IoP). Оно отражает
виртуальную деятельность человека в инфокоммуникационном пространстве по управлению объектами окружающего мира с использованием биометрических данных и биофункциональных показателей для
обеспечения персонализированной среды жизнедеятельности.
Человек как объект Интернета людей обладает собственными
биологическими идентификационными признаками, ярко выраженными когнитивными функциями, развитой мультисенсорикой и автономным энергосбережением (см. таблицу).

Современные направления развития технологий Интернета людей

Направление
Целевая ориентация

Биометрическая
идентификация

Идентификация личности  
и позиционирование индивида

Биомедицинская сенсорика
Контроль физиологических параметров

Биокогнитивное управление
Трансдермальная лекарственная терапия  
и нефармакологическая коррекция состояния

Биокогнитивное управление
Нейробиокогнитивный информационный  
и сенсорно-моторный интерфейсы

Бионическое замещение
Биомиметика, искусственные органы,  
биотехноинтерфейсы

Биоинформационная  
коммуникабельность

Персонализированные сетевые информационные системы, кибербезопасность

Биоэнергообеспечение
Автономные биоэнергорекуперирующие системы

Особенности перехода от Интернета вещей IoP к Интернету людей нового поколения можно сформулировать следующим образом:
• биометрическая идентификация личности (биологический
адрес);
• контроль местоположения биообъекта и динамики его перемещения;
• анализ поведения и активности индивида;

ПРЕДИСЛОВИЕ

• мониторинг биомедицинских параметров;
• активные фармакологическое и нефармакологическое воздействия на человека на основании удаленного анализа его биоданных;
• нейрокогнитивное управление интегрированными в одежду или 
размещаемыми на теле человека искусственными системами для мониторинга физиологического состояния, биомедицинской диагностики, неинвазивной и инвазивной терапии и биозамещения;
• дистанционное управление окружающими и удаленными объектами посредством киберфизического интерфейса, обеспечивающего преобразование и передачу регистрируемых данных индивида 
в виде движений и жестов, мыслей и эмоций;
• дистанционное формирование (без непосредственного участия 
человека) управляющих воздействий на окружающие объекты на основании виртуальных процедур анализа биоданных и мониторинга 
среды обитания.
Базовые направления Интернета людей определяются совокупностью следующих конструкторско-технологических решений:
• умная одежда – пассивный субстрат с размещенными функциональными сенсорными, процессорными, энергообеспечивающими и 
инфокоммуникационными модулями;
• интеллектуальный текстиль – активный гетерогенный субстрат, 
являющийся носителем интегрируемых функциональных свойств;
• искусственная электронная и фотонная кожа – эпидермальные 
и трансэпидермальные мультифункциональные гибридные сенсорнокорректирующие интерактивные платформы;
• биоинтегрируемые импланты – идентификаторы, стимуляторы, 
корректоры состояния, искусственные органы.
Совокупностью этих конструкторско-технологических решений 
определяются предметные индустриальные направления конформной1 наноэлектроники для Интернета людей, среди которых следует 
особо выделить следующие:
• мультифункциональные сенсорно-исполнительные компоненты, интегрируемые в одежду или размещаемые на теле человека 
для биомониторинга и коррекции состояния организма;
• микроаналитические диагностические системы типа «лаборатории-на-чипе» для биомедицинского экспресс-контроля;

1 Конформность – приспосабливаемость к окружающим условиям и объектам.

• сверхминиатюрные информационно-коммуникационные модули, конформно интегрируемые в одежду или размещаемые на теле
человека для его быстрой идентификации, высокоточного позиционирования и передачи информации через персонифицированные носимые электронные средства или сторонние локальные терминалы;
• биосенсорные модули (в том числе – камуфлируемые) для расширения функциональных возможностей человека, компенсации
утраченных функций и когнитивного управления;
• исполнительные миниатюрные конформно интегрируемые модули для бионических систем органозамещения.
Сказанное выше определило тот факт, что в трилогии под общим
названием «Биоинтерфейс – взгляд в будущее» рассматривается широкий круг инновационных устройств конформной наноэлектроники,
которые могут эффективно использоваться в разнообразных системах
Интернета людей.
Книги, составляющие трилогию, написаны авторами в период
2016–2021 гг. Они задумывались как самостоятельные издания, рассматривающие современное состояние, а также перспективы развития
и применения решений и устройств из отдельных областей конформной наноэлектроники. В указанный период времени были выпущены
пилотные экземпляры каждой книги. Сформировавшееся к настоящему времени понимание природы и сущности биоинтерфейса позволило авторам объединить отдельно взятые книги в трилогию.
В первой книге – «Биоинтерфейс. Конформная наноэнергетика» – рассмотрены современное состояние, перспективы развития
и инновационные решения конформных устройств генерации электроэнергии (солнечные элементы, пьезонаногенераторы, трибонаногенераторы, термогенераторы, ректенны) и конформных устройств
хранения электроэнергии (литий-ионные аккумуляторы и суперконденсаторы), а также гибридных энергетических устройств на их основе, которые можно использовать как элементы имплантируемых,
эпидермальных или носимых IoP-систем.
Во второй книге – «Биоинтерфейс. Конформная наносенсорика»  – рассмотрены современное состояние, перспективы развития и инновационные решения конформных физических наносенсоров биопараметров (сенсоры давления, сенсоры деформации,
сенсоры температуры, сенсоры влажности), а также мультисенсорных

платформ на их основе, которые можно использовать как элементы
имплантируемых, эпидермальных или носимых IoP-систем.
В третьей книге – «Биоинтерфейс. Конформные IoP-интерфейсы» –
рассмотрены современное состояние, перспективы развития и инновационные решения конформных биометрических и тактильных
IoP-интерфейсов, которые можно использовать как элементы имплантируемых, эпидермальных или носимых IoP-систем.
Каждая книга в отдельности и трилогия в целом иллюстрируют тот факт, что носимые, эпидермальные и имплантируемые IoPсистемы конформной наноэлектроники составляют базис биоинтерфейса, определяющий качество жизни человека и, безусловно,
неисчерпаемый рынок наукоемкой высокоинтеллектуальной и креативной продукции.

ВВЕДЕНИЕ

В первой книге трилогии – «Биоинтерфейс. Конформная наноэнергетика» – был рассмотрен «мотор» IoP-систем – наноустройства и 
наносистемы, обеспечивающие энергонезависимость и автономность.
Основные предназначения IoP-систем – сбор, анализ, обработка 
и передача информации. Интеллектуальное «зрение», интеллектуальный «слух», интеллектуальное «обоняние» и интеллектуальное 
«осязание» биоинтерфейсов – это наносенсоры. Информация от них 
анализируется управляющими модулями, визуализируется отображающими модулями, перераспределяется модулями передачи данных и 
используется для активации защитных модулей или модулей воздействия. Работа и комфортность IoP-систем обеспечиваются энергетическими модулями и модулями хранения данных.

Особенностям IoP-систем хорошо отвечают модульные решения. 
Наноструктурные (зачастую взаимозаменяемые) решения конформных модулей упрощают их взаимную интеграцию в мультисенсорные 
и мультифункциональные платформы [1]–[11]. 
Цель настоящей книги состояла в рассмотрении современного 
состояния, перспектив развития и видов инновационных устройств 
конформной наносенсорики в составе интеллектуальной одежды  
и/или интеллектуальной e-кожи (рисунок).
В гл. 1 рассмотрены разновидности физических наносенсоров биопараметров. В гл. 2 представлены конструкции и функциональные возможности устройств конформной наносенсорики для IoP-мониторинга 
биопараметров, в гл. 3 – для тактильного IoP-мониторинга. Гл. 4 посвящена конформным мультисенсорным IoP-платформам.

Конформная наносенсорика

Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ НАНОСЕНСОРЫ БИОПАРАМЕТРОВ

Устройства конформной наносенсорики – имплантируемые, 
эпидермальные (e-кожа) и носимые (e-текстиль) сенсоры и мультисенсорные платформы – обеспечивают мониторинг персональ
ной интеллектуальной биотехносферы. Непосредственный контакт 
с внутренними тканями или кожей человека расширяет возможности интерактивного мониторинга как биопараметров, так и параметров окружающей среды.
Электрофизические1 наносенсоры, контролирующие в режиме 
онлайн значимые физиологические параметры активности2 и 

1  Иначе – физические наносенсоры.

2  Такие, как электрограммы сердца, мышц и головного мозга (ECG, EEG, EMG), 
температура тела, давление крови, частота пульса, мышечный и кожный тремор, 
ИК-излучение.

Рис. 1.1. Конформная наносенсорика биопараметров

жизнедеятельности1, в мультисенсорных платформах могут быть дополнены электрохимическими и биохимическими наносенсорами, 
а также модулями трансэпидермальной коррекции [12]–[22]. Прозрачность, гибкость, растяжимость, чувствительность2, тонкость и 
легкость мультисенсорных платформ во многом определяются технологической совместимостью и интегративностью различных функциональных модулей [23]–[28].
Наибольшее распространение в конформной наносенсорике 
биопараметров (рис. 1.1) и тактильной наносенсорике  получили 
электрофизические наносенсоры давления (Srp), деформации (Srs), 
температуры (Srt) и влажности (Srh).

1.1. Наносенсоры давления и деформации

В конформной наносенсорике биопараметров Srp и Srs занимают особое место, поскольку они позволяют контролировать, 
анализировать, преобразовывать широкий спектр функциональных 
параметров организма и полезно использовать полученную 
информацию.
Возможности конформных Srp существенно шире, нежели 
мониторинг биопараметров, контроль двигательной активности и 
анализ эмоционального состояния. Акустический анализ, тактильный 
анализ, преобразование речи и жестов в управляющие электрические 
сигналы – такие возможности Srp-мониторинга ориентированы на 
бионические системы и HMI.
В конформной наносенсорике интеллектуальной одежды 
представлены (рис. 1.2) емкостные Srp, пьезорезистивные Srp и 
пьезоэлектрические Srp (PENG– Srp)3.
Емкостные Srp преобразуют в электрический сигнал изменение 
емкости сенсора, когда внешнее механическое воздействие изменяет 
толщину или размеры активного диэлектрического слоя.
Пьезорезистивные Srp используют зависимость сопротивления 
активного элемента от приложенного внешнего механического 
воздействия.

1  Мышечная активность, дыхание, жестикуляция, эмоции, голос.

2  Благодаря использованию наноструктурных решений.

3 Емкостные и пьезорезистивные сенсоры, требующие внешнего питания, 
часто называют пассивными, а энергонезависимые – пьезоэлектрические и 
трибоэлектрические сенсоры – активными.