一種用于人體健康監(jiān)測(cè)的全自動(dòng)可穿戴腿部運(yùn)動(dòng)傳感系統(tǒng)

在當(dāng)前的智能物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，可穿戴電子正在經(jīng)歷爆炸式增長(zhǎng)，方便了醫(yī)療保健、疾病診斷/治療、康復(fù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互和運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的各種應(yīng)用。可穿戴設(shè)備的電源是一個(gè)重要問題，涉及近場(chǎng)傳輸、核能、電池和自供電。其中，自供電電子產(chǎn)品因其長(zhǎng)期可持續(xù)性、可再生性、安全性和環(huán)境友好性而被認(rèn)為是一種很有前途的方式。然而，使用全自動(dòng)可穿戴系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測(cè)健康參數(shù)仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。

在能源供應(yīng)方面，現(xiàn)有的可穿戴設(shè)備試圖將常見的依賴電池的模式轉(zhuǎn)變?yōu)樽怨╇娔Ｊ?。主要采用兩種方式，一種是無(wú)源電源感應(yīng)模式（PPSS），另一種是有源發(fā)電感應(yīng)模式（APGS）。PPSS模式是指使用額外的能量收集設(shè)備來(lái)為傳感器供電。常用的能量收集原理包括壓電、摩擦電、熱電、電磁、光電、生物燃料、駐極體等。APGS模式意味著發(fā)電機(jī)同時(shí)作為傳感元件工作。例如，摩擦電納米發(fā)電機(jī)感應(yīng)運(yùn)動(dòng)?？纱┐麟娮釉O(shè)備的電源也可以分為僅傳感器電源和整體系統(tǒng)電源。絕大多數(shù)自供電電子設(shè)備屬于傳感器專用電源。其不足之處顯而易見，后端系統(tǒng)仍然需要電池，無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期可持續(xù)使用。整個(gè)系統(tǒng)電源要求整個(gè)可穿戴設(shè)備或系統(tǒng)完全由車載發(fā)電機(jī)自行供電。然而，由于最先進(jìn)的微納能量采集技術(shù)仍然受到低能量轉(zhuǎn)換效率的限制，全自動(dòng)可穿戴監(jiān)測(cè)面臨著很大的困難。特別是，建立一個(gè)完全自主的可持續(xù)監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。大多數(shù)能量收集設(shè)備都有條件地工作。例如，摩擦發(fā)電機(jī)和壓電發(fā)電機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下無(wú)法工作，光電發(fā)電機(jī)在黑暗中無(wú)效，生物燃料發(fā)電機(jī)需要人體汗液作為燃料，壽命有限。相比之下，熱電能源收集具有可持續(xù)性、綠色和直流電輸出的優(yōu)勢(shì)。

圖1 自供電可穿戴系統(tǒng)的示意圖和圖像。a） 可穿戴系統(tǒng)的3D結(jié)構(gòu)，通過(guò)f-TEG、應(yīng)變傳感器和加速度計(jì)的協(xié)同融合實(shí)現(xiàn)全面的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)。b） 佩戴在受試者身上的可穿戴系統(tǒng)的原型照片。c） 用于估計(jì)皮膚溫度、運(yùn)動(dòng)速度和代謝能量消耗的邊緣計(jì)算框架。d） 可穿戴設(shè)備的電子系統(tǒng)的信號(hào)流程圖。MCU、微控制器單元。紅色箭頭表示電源，黑色箭頭表示信號(hào)傳輸。e） 定制移動(dòng)應(yīng)用程序，用于移動(dòng)速度、皮膚溫度、環(huán)境溫度和代謝能量跟蹤。

圖2 用作能量采集器和運(yùn)動(dòng)傳感器的f-TEG的示意圖和特性。a） 熱電裝置結(jié)構(gòu)放大圖。b） 當(dāng)加載升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，f-TEG在不同風(fēng)速下的輸出電壓和功率。c） f-TEG佩戴在下肢時(shí)溫度分布的紅外熱像圖。d） 當(dāng)受試者的步行/跑步速度為3–8 km/h時(shí)，f-TEG的輸出電壓。e） 從f-TEG的輸出電壓中提取的DC分量。f） 從f-TEG的輸出電壓中提取的AC分量。g） 佩戴在小腿上的f-TEG的直流分量（Vs1）和交流分量（Vs2），小腿皮膚和環(huán)境之間的溫差（ΔTs），以及在不同運(yùn)動(dòng)速度下從Vs2提取的步態(tài)頻率（fs）。h） 大腿上佩戴的f-TEG的直流分量（Vt1）和交流分量（Vt2），大腿皮膚和環(huán)境之間的溫差（ΔTt），以及在不同運(yùn)動(dòng)速度下從Vt2提取的步態(tài)頻率（ft）。i） 公式5-8的模型擬合結(jié)果。彩色線條：實(shí)驗(yàn)真值；黑線：擬合值。

在智能感知方面，隨著人工智能的蓬勃發(fā)展，流行的可穿戴設(shè)備呈現(xiàn)出智能感知與機(jī)器學(xué)習(xí)和邊緣計(jì)算相結(jié)合的發(fā)展趨勢(shì)，例如在用于全身化身重建的傳感器機(jī)器學(xué)習(xí)中。可以預(yù)見，可穿戴電子設(shè)備將發(fā)展成為寄生在人體上的智能體，這對(duì)多模式感知、車載數(shù)據(jù)處理和交互以及無(wú)線傳輸提出了要求。這種需求也給自供電設(shè)備帶來(lái)了很大的困難。然而，隨著公眾對(duì)先進(jìn)日常醫(yī)療保健的期望，具有智能化多模式傳感和數(shù)據(jù)融合/傳輸能力的全自動(dòng)可穿戴電子產(chǎn)品勢(shì)在必行，但具有挑戰(zhàn)性。

如上所述，熱電能源收集具有可持續(xù)性和綠色的優(yōu)勢(shì)。利用熱電收集，人體熱量有可能成為可穿戴電子產(chǎn)品的理想和可持續(xù)的生物能源。此外，體溫/皮膚溫度包含豐富的反映人體健康功能的信息，如腸道菌群和代謝產(chǎn)物水平。長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)皮膚溫度有助于預(yù)防過(guò)敏、痛風(fēng)和關(guān)節(jié)炎等疾病。皮膚溫度和其他與人類活動(dòng)相關(guān)的生理參數(shù)可以定量表征個(gè)人健康功能，值得通過(guò)可穿戴電子設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如可拉伸關(guān)節(jié)傳感器。

本文亮點(diǎn)

1. 本工作提出并開發(fā)了一種全自供電的可穿戴系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估人類多模式健康參數(shù)，包括膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、代謝能量、運(yùn)動(dòng)速度和皮膚溫度，這些參數(shù)由高效柔性熱電發(fā)生器（f-TEG）全自供電?？纱┐飨到y(tǒng)由f-TEG、織物應(yīng)變傳感器、超低功耗邊緣計(jì)算和藍(lán)牙組成。

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2. 戴在腿上的f-TEG不僅從身體熱量中獲取能量，為整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可持續(xù)供電，還可以作為零功率運(yùn)動(dòng)傳感器檢測(cè)肢體運(yùn)動(dòng)和皮膚溫度。

3. 織物應(yīng)變傳感器通過(guò)在預(yù)拉伸尼龍纖維包裹的橡膠帶上打印PEDOT:PSS制成，可以對(duì)高度動(dòng)態(tài)的膝蓋運(yùn)動(dòng)進(jìn)行高保真度和超低功率測(cè)量。邊緣計(jì)算經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，可以實(shí)時(shí)估計(jì)多模式健康參數(shù)，包括通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線傳輸?shù)臅r(shí)變代謝能量。

圖文解析

圖3 用于膝關(guān)節(jié)角度監(jiān)測(cè)的織物/PEDOT:PSS可拉伸應(yīng)變傳感器的制備和表征。a） 織物印刷前后的PEDOT:PSS油墨。b） 彈性繃帶織物的橫截面和前視圖。c） 織物應(yīng)變傳感器在不同應(yīng)變下的變形。d） 將PEDOT:PSS溶液印刷在聚酰胺織物上并干燥以制備應(yīng)變傳感器。e） 應(yīng)變傳感器在不同應(yīng)變下的相對(duì)電阻變化和磁滯特性。f） 不同菌株下三個(gè)拉伸釋放周期的抗性反應(yīng)。g） 佩戴在膝蓋上的應(yīng)變傳感器在不同運(yùn)動(dòng)速度下的阻力響應(yīng)。h） 當(dāng)監(jiān)測(cè)膝關(guān)節(jié)角度（θ）時(shí)，我們的應(yīng)變傳感器信號(hào)（ΔR/R）和加速度計(jì)信號(hào)（a）之間的保真度比較。使用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備檢測(cè)地面實(shí)況膝關(guān)節(jié)角度（θ）。

圖4 自供電可穿戴監(jiān)控系統(tǒng)中的邊緣計(jì)算操作。a） 具有不同神經(jīng)元數(shù)量和采樣率的深度學(xué)習(xí)模型用于新陳代謝估計(jì)的計(jì)算時(shí)間和準(zhǔn)確性。b） 分別使用邊緣計(jì)算模塊（ECM）和實(shí)時(shí)傳輸模塊（RTM）對(duì)可穿戴系統(tǒng)中的每個(gè)組件進(jìn)行功耗分析。靜止模式表示人體處于靜止?fàn)顟B(tài)。動(dòng)態(tài)模式表示人體在運(yùn)動(dòng)。c） 使用ECM的可穿戴系統(tǒng)的超低功耗管理策略。d）ECM工作流程的時(shí)間線顯示。

圖5 使用自供電可穿戴系統(tǒng)驗(yàn)證多模式健康參數(shù)監(jiān)測(cè)。a） 實(shí)時(shí)代謝能量估計(jì)。實(shí)際能源支出是指由呼吸耗氧量計(jì)測(cè)量的地面實(shí)況支出。b） 運(yùn)動(dòng)速度估計(jì)。跑步機(jī)的速度被視為實(shí)際速度。c） 小腿皮膚溫度估計(jì)。d） 大腿皮膚溫度估計(jì)。在（c）和（d）中，使用鉑電阻PT1000來(lái)測(cè)量實(shí)際皮膚溫度。在（a–d）中，藍(lán)色誤差條是根據(jù)數(shù)據(jù)集在一段時(shí)間內(nèi)計(jì)算的。e） 演示使用可穿戴系統(tǒng)進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)。受試者在跑步機(jī)上行走?？纱┐鞯耐炔窟\(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備佩戴在他的腿上，并實(shí)時(shí)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)。智能終端通過(guò)藍(lán)牙接收健康參數(shù)。

來(lái)源：MEMS