英國混合金屬聚合物研發(fā)嵌入式可穿戴傳感器

可穿戴設備能感知和監(jiān)測人體生理狀況，在連接互聯(lián)網(wǎng)，并與各類軟件應用相結合的情況下，除了在社交互動、休閑娛樂、定位導航等方面大顯身手外，還在運動管理和健康監(jiān)測領域發(fā)揮作用。

日新月異的科技推動衣服功能不斷升級，從“保暖”到“美觀”，進而邁入健康領域。

可穿戴設備能感知和監(jiān)測人體生理狀況，在連接互聯(lián)網(wǎng)，并與各類軟件應用相結合的情況下，除了在社交互動、休閑娛樂、定位導航等方面大顯身手外，還在運動管理和健康監(jiān)測領域發(fā)揮作用。

英國巴斯大學的研究人員發(fā)現(xiàn)，將一種導電紗線嵌入衣服的特定部位，能精確地跟蹤身體運動。利用該技術，可以監(jiān)測和收集人體數(shù)據(jù)，幫助人們提高運動質(zhì)量、進行理療和健康恢復。近日，相關研究在美國計算機協(xié)會《設計交互系統(tǒng)會議論文集》發(fā)布。

面臨“井噴期”

可穿戴設備即直接穿在身上，或整合到用戶的衣服、配件的一種便攜式設備。根據(jù)IDC數(shù)據(jù)，2020第三季度，全球可穿戴設備出貨量同比增長35.1%，達到1.253億臺。在IDC的數(shù)據(jù)中，目前面世的可穿戴設備，包括智能手表、智能手環(huán)、耳戴設備、智能眼鏡(包括VR/AR頭顯)等。而在智能服裝、智能鞋等方面，目前成熟的技術和產(chǎn)品相對較少。

近年來，科學家一直在為制造便捷、靈敏的智能服裝紡織材料和傳感器而努力。

2018年，英國巴斯大學教授Adelina Ilie課題組設計并構筑了一種非侵入式的血糖監(jiān)測系統(tǒng)，只需貼在手腕上，無需采血就能監(jiān)測血糖。

此后，澳大利亞迪肯大學的研究人員設計出一種應變傳感紡織纖維。這種應變傳感紡織纖維可用于生產(chǎn)專業(yè)運動員的壓縮衣，用于比賽期間監(jiān)測運動員的身體狀態(tài)，也可以在患者進行身體康復訓練時跟蹤和匯編數(shù)據(jù)。

2020年3月，美國加州大學圣地亞哥分校納米工程系的團隊利用臨時紋身生物傳感器裝備了絲網(wǎng)打印的柔性電路，可與皮膚進行長時間的直接接觸，并通過表皮傳感器對人體運動過程中汗液乳酸水平進行了實時動態(tài)的監(jiān)測。

今年2月，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院的工程師與一家初創(chuàng)公司合作，開發(fā)了一種新型可穿戴式傳感芯片。該傳感芯片可貼在患者皮膚上，測量人體汗液中一種壓力激素的濃度，從而實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測，幫助醫(yī)生了解和治療與壓力相關的疾病，如倦怠和肥胖。

此外，科學家還在開發(fā)各類可穿戴生物傳感器，通過無創(chuàng)方式測量體液中的生化標志物(汗液、淚液、唾液和間質(zhì)液，以及體液中的代謝物、細菌及激素等)來反映生理狀態(tài)。

中研普華研究報告《2019—2025年中國可穿戴設備行業(yè)全景調(diào)研與投資趨勢預測報告》提到，可穿戴設備將為人們的生活、感知帶來很大的轉變。得益于可穿戴設備種類的增加、產(chǎn)品技術的漸趨成熟、用戶體驗的提升、價格的下降，以及各大廠商的積極投入研發(fā)，可穿戴設備的發(fā)展已經(jīng)進入“井噴期”。

挖到“富礦”

“導電紗線在監(jiān)測人體活動中有很多潛在的應用?！鼻安痪?，在美國計算機協(xié)會的設計交互系統(tǒng)會議上，該論文第一作者、英國巴斯大學博士生Olivia Ruston說，“比如，你想通過身體狀態(tài)的識別和分析提高運動水平，或者利用這些數(shù)據(jù)在患者進行理療、康復和運動保健方面發(fā)揮作用。”

在該項研究中，科學家用一種混合金屬聚合物電阻材料作為導電芯，制成導電紗線，并將這種紗線嵌入衣服中特定位置。導電紗線的另一端連接到一個微控制器，并與計算機相連。這種導電紗線會在低電壓下被激活，當人體運動時，衣物接縫處的張力發(fā)生變化，導電紗線能靈敏地捕捉到拉伸和壓力的變化。隨著拉伸和壓力變化，導電紗線的電阻、電壓也會產(chǎn)生相應變化，從而被計算機記錄下來。

實驗中，巴斯大學的研究人員對導電紗線在衣服中設置的位置和密度進行了多次記錄和分析。他們發(fā)現(xiàn)，在設計運動跟蹤智能服裝時，衣服接縫的位置以及添加的導電紗線數(shù)量是準確捕捉人體信號的重要因素。

“開發(fā)智能服裝有很大的潛力——很多人都在嘗試各種電子紡織品，但很多時候，技術專家和時裝設計師之間并沒有很好地相互溝通和理解，我們把這兩方面聯(lián)系起來，由此萌生了將新的傳感技術嵌入服裝的創(chuàng)意?！痹撜撐淖髡咧弧⒂退勾髮W教授Mike Fraser說，“我們分析了如何設計服裝的接縫來進行身體運動的交互式感知，這為感知驅動的服裝設計提供了啟示。隨著新型服裝功能的出現(xiàn)，智能紗線的布置將在設計和制造過程中發(fā)揮作用，并可能改變?nèi)藗儗r尚的看法?！?/p>

國外科技媒體Tech Xplore評價認為，科學家挖到了人體可穿戴運動傳感器的豐富礦層。

“重要的是，這些導電紗線能夠對手表和腕帶等流行健身追蹤器無法捕捉到的細微動作做出反應。”O(jiān)livia Ruston在回復《中國科學報》記者的郵件中說。

進入健康領域

“此類技術可以用來監(jiān)測人在運動時的速度、溫度、壓力、脈搏、心率等指標，對未來智能服裝發(fā)展具有引導作用?！北本┼]電大學人機交互與認知工程實驗室主任劉偉教授告訴《中國科學報》，“但這項技術的測量精度從現(xiàn)有的材料難以判斷，其工程化程度也無法預測?！?/p>

在感知和采集人體數(shù)據(jù)方面，通常植入(侵入)式效果優(yōu)于接觸式，接觸式比非接觸式更準確。

劉偉認為，該技術的監(jiān)測精度取決于所使用傳感器的精度和抗干擾程度，因此“具有不確定性”。

盡管可穿戴設備在健康醫(yī)療應用上前途無量，但在大規(guī)模商業(yè)化之前，還存在一些障礙，比如監(jiān)測的準確性差、便捷性不夠，測量的生物標記物過少等問題都亟待解決。

目前，可穿戴設備主要采用物理傳感器，用于監(jiān)測行動能力和生命體征，如步數(shù)、熱量消耗或心率。隨著研究人員從跟蹤體育鍛煉活動擴展到關注解決醫(yī)療保健應用，比如各種病管理或者老年人的遠程監(jiān)控，可穿戴設備還需要進行自我革新。

隨著無創(chuàng)取樣及監(jiān)測技術逐漸成熟，利用無創(chuàng)可穿戴生物傳感設備記錄人體數(shù)據(jù)，甚至替代常規(guī)的血液、汗液檢測越來越接近現(xiàn)實。人類身體的絕大部分都為皮膚所覆蓋，因此，在各種穿戴式生物傳感器中，通過皮膚接觸的表皮可穿戴生物傳感器最受人關注。

“這些集成方式可以確保傳感器與皮膚緊密接觸，并能在身體運動時承受機械壓力，可以將身體運動轉換為電信號，從而跟蹤和記錄身體活動，例如，在健身和健康監(jiān)測中提高運動效率，應用于預防傷害和疾病康復方面?！卑拇罄麃喌峡洗髮W的Seyedin 博士說，“而且這種方式可以自行穿戴，無需笨重的設備，沒有侵入性的創(chuàng)傷?！?/p>

“采用多種傳感方法對人體狀態(tài)進行監(jiān)測和分析，可以提高傳感器的可靠性?！監(jiān)livia Ruston說，“不同模式的可穿戴傳感器組合可以對人體生理狀況進行更全面的監(jiān)測，因此有更廣的應用?！?/p>