贴片式可穿戴传感器从日本古代剪纸艺术中汲取灵感
2020-02-06 19:40:45 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
据麦姆斯咨询报道，来自美国密歇根大学的Max Shtein教授及其合作团队正致力于研究解决当前基于IMU的运动监测设备所存在的问题。在发表于《先进材料技术》的文章中，他们开发了一种新型贴片式可穿戴传感器，用于监测人体关节。
美国研究人员开发的贴片式可穿戴传感器为关节康复带来前所未有的解决方案
人体关节是受伤后最难完全恢复的部位之一。如肌肉骨骼疾病、骨折和脱臼都可能导致人体关节功能障碍，甚至丧失活动能力。当发生这些情况时，早期诊断和有效的跟踪监测是确定治疗方法的理想解决方案。
事实上，监测关节运动对许多康复方案以及改善运动表现都至关重要。然而，传统的基于惯性测量单元（IMU）的运动监测设备存在一定的局限性，如惯性传感器不能准确定位特定的关节位置，摄像系统价格昂贵且灵活性差，操作人员需要通过大量的训练才会设置和操作。
如今，柔性可穿戴电子设备被视为基于IMU的运动监测设备的高性能替代产品，但迄今为止，这类设备还存在诸多未得以解决的问题，如无法贴合弯曲的表面、制造成本过高和难以集成等。因此，当这类设备用于监测复杂的人体曲面和结构（如关节）时，可能无法正常工作。众所周知，肩膀是人体最灵活和复杂的关节之一，由于肩关节的自由度较大致使其难以被跟踪监测。
据麦姆斯咨询报道，来自美国密歇根大学（The University of Michigan，简称UMich）的Max Shtein教授及其合作团队正致力于研究解决当前基于IMU的运动监测设备所存在的问题。在发表于《先进材料技术》（Advanced Materials Technologies）的文章中，他们开发了一种新型贴片式可穿戴传感器，用于监测人体关节。
Shtein教授曾亲身经历锁骨损伤所导致的行动不便，他也由此意识到拥有一种能够在各种运动范围内跟踪监测复杂关节轮廓的器件的重要性。
Shtein教授所在的研究小组从日本古代的剪纸艺术Kirigami中汲取灵感，研究不同裁切图案的旋转对称性及其与不同3D形状的相互作用。这项研究最终迎来了贴片式可穿戴传感器的诞生，该传感器可以在肩关节的整个运动范围内与不同轮廓贴合。
基于剪纸艺术kirigami的贴片式可穿戴传感器无需任何胶带即可直接放置在皮肤上，并且可以贴合受试者的肩关节轮廓
这种传感器可测量沿着kirigami结构的微观应变分布。沿着贴片放置在适当位置的小型应变仪能够监测曲面的整体变化，由此一来，来自应变仪的电信号会因关节运动而发生变化，以实时区分不同运动，如跑步、耸肩、抬手臂等。
除了能有效监测肩关节的运动能力外，该传感器最大的优势在于其自身的结构：kirigami使用可扩展的剪纸工艺，同时，其简单的形状、柔韧性以及轻松呈现多种3D形状而不起皱的特性让其更易于与纺织品集成。
这项研究为可穿戴健身活动跟踪设备和健康监测设备开辟了全新的领域，可记录运动表现，还可以监测心血管疾病。Shtein说：“拥有经济高效且可靠的关节监测传感器可以为物理治疗、运动训练、各类比赛和假肢控制带来革命性的变化。为了实现这一目标，我们需要在现有的研究基础上再接再厉。”
研究人员的挑战和抱负还不止于此，他们志在开发出更多的便携式和无线贴片式传感器，以实现更高的运动保真度映射并更好地集成到衣物中。可穿戴电子设备的多元化发展未来可期！
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