自驅(qū)動(dòng)柔性曲面?zhèn)鞲嘘嚵?，可?shí)時(shí)監(jiān)測輕微腦震蕩

統(tǒng)計(jì)表明，滑雪、拳擊、橄欖球等運(yùn)動(dòng)及生活意外，每年造成全球約4200萬人輕微腦震蕩。輕微腦震蕩通常不會導(dǎo)致器質(zhì)性病變，因此計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）及核磁共振成像（MRI）在診斷中起的作用有限，患者自我癥狀描述成為輕微腦震蕩診斷的主要信息來源。缺乏客觀評估標(biāo)準(zhǔn)和便攜式監(jiān)測技術(shù)，成為目前臨床輕微腦震蕩診治的主要障礙。

針對這一問題，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士、陳寶東研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種策略，通過3D打印的多角度納米發(fā)電機(jī)組成的柔性曲面?zhèn)鞲嘘嚵校瑢?shí)現(xiàn)對頭部撞擊的實(shí)時(shí)監(jiān)測，在個(gè)性化醫(yī)療、智能運(yùn)動(dòng)和航空航天領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。近日，相關(guān)論文在《科學(xué)進(jìn)展》發(fā)表。

多角度納米發(fā)電機(jī)組成的柔性曲面?zhèn)鞲嘘嚵懈拍?、結(jié)構(gòu)和特性

自驅(qū)動(dòng)傳感陣列應(yīng)用示意圖

納米發(fā)電機(jī)展現(xiàn)傳感優(yōu)勢

輕微腦震蕩經(jīng)常發(fā)生，并可能給認(rèn)知、情感和身體帶來后遺癥。不同類型的撞擊對頭部的能量轉(zhuǎn)移，會使顱骨內(nèi)大腦發(fā)生剪切、壓縮、旋轉(zhuǎn)和撕裂，導(dǎo)致不同的腦震蕩。因此，客觀、精準(zhǔn)地評估腦震蕩程度和類型非常必要。

納米發(fā)電機(jī)利用摩擦、壓力的電效應(yīng)和靜電感應(yīng)的耦合工作，因此，從電路電效的變化中即可判斷其沖擊（摩擦）力的變化。納米發(fā)電機(jī)具有自驅(qū)動(dòng)傳感、高靈敏度和材料多樣性等特性，是靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力主動(dòng)監(jiān)測的理想選擇。

“在前期研究基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出可穿戴傳感陣列，用于頭部撞擊的位置追蹤和等級評估?！标悓殩|告訴《中國科學(xué)報(bào)》，“該陣列由32個(gè)摩擦納米發(fā)電機(jī)單元組成。與其他笨重且布線復(fù)雜的解決方案相比，該設(shè)備更輕、更靈活、更便攜。”

這種傳感陣列的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅有助于傳感器表現(xiàn)出最佳性能，而且能使摩擦納米發(fā)電機(jī)具備多角度運(yùn)動(dòng)能力。實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用摩擦納米發(fā)電機(jī)從不同方向收集機(jī)械能，并識別剪切力、旋轉(zhuǎn)力和壓縮力，經(jīng)過3萬次工作循環(huán)后，整體靈敏度僅下降2%。

“此外，該傳感器具有超高靈敏度和超寬壓力帶寬?！闭撐牡谝蛔髡?、中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所博士生俎璐璐解釋說，“超高靈敏度和超寬壓力帶寬是衡量傳感器感知能力和測試范圍的重要性能指標(biāo)。該柔性傳感陣列可以在0~200千帕的外部壓力（沖擊力）范圍內(nèi)正常工作，以電壓作為傳感信號時(shí)，能夠以平均0.214伏特/千帕的靈敏度精準(zhǔn)分辨壓力變化?！?/p>

研究人員利用6個(gè)傳感指標(biāo)（穩(wěn)定性、均勻性、線性度、重復(fù)性、靈敏度和遲滯性）評估該傳感陣列的整體性能，發(fā)現(xiàn)摩擦納米發(fā)電機(jī)可以在沒有外部電源的情況下將來自多個(gè)方向的力（壓縮、旋轉(zhuǎn)或剪切）轉(zhuǎn)換為電信號，響應(yīng)時(shí)間為30毫秒，最小分辨率為1.415千帕，在0~200千帕的寬范圍內(nèi)表現(xiàn)出出色的傳感能力。此外，該陣列還可以通過無線藍(lán)牙預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)頭部撞擊的可視化映射。在機(jī)器學(xué)習(xí)算法的輔助下，它還展示了對傷害等級的評估，準(zhǔn)確率達(dá)98%。

“這些數(shù)據(jù)優(yōu)于目前文獻(xiàn)報(bào)道的其他摩擦電和壓電的壓力傳感器。”陳寶東說，“通過收集標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，我們希望建立一個(gè)大數(shù)據(jù)平臺，以便未來深入研究頭部撞擊和輕微腦震蕩之間的直接和間接關(guān)系?！?/p>

3D打印拓展應(yīng)用空間

雖然納米發(fā)電機(jī)在傳感方面優(yōu)勢明顯，但作為一種新型傳感器，它仍然缺乏標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)工藝。而3D打印技術(shù)不僅使各種材料（如導(dǎo)體、半導(dǎo)體和生物材料）的傳感器標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)成為可能，而且能適應(yīng)不規(guī)則的身體結(jié)構(gòu)。具體而言，3D打印技術(shù)簡化了納米發(fā)電機(jī)的加工環(huán)節(jié)、降低了成本，并將其一體化集成到各種應(yīng)用場景中。

研究人員將電極線制成柔性印刷電路板，并設(shè)置上下銅屏蔽層，以減少或最小化串?dāng)_影響。施加壓力后，預(yù)加載接觸點(diǎn)的陣列可以通過彩虹色圖形成字母“L”“X”和“N”的圖像。平面陣列壓力分布的成功演示，意味著距離實(shí)現(xiàn)曲面?zhèn)鞲械哪繕?biāo)又近了一步。

“頭部的復(fù)雜曲率決定了傳感裝置必須有精確的表面幾何形狀和穩(wěn)定性。因此，我們采用逆向工程，結(jié)合3D掃描創(chuàng)建頭部點(diǎn)云，打印出近似人的頭部輪廓且符合人體工程學(xué)的軟陣列?！标悓殩|補(bǔ)充說，“3D打印為納米發(fā)電機(jī)的商業(yè)化提供了一條可行途徑，并在個(gè)性化醫(yī)療、智能運(yùn)動(dòng)和航空航天方面展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景?！?/p>

智能體育和可穿戴醫(yī)療的機(jī)遇

為更精準(zhǔn)評估頭部撞擊程度，該團(tuán)隊(duì)使用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DCNN）分析識別多維、海量的數(shù)據(jù)。

“DCNN可以預(yù)測一個(gè)或多個(gè)響應(yīng)變量，在模型預(yù)測方面取得了成功。訓(xùn)練后的6倍交叉驗(yàn)證混淆矩陣和預(yù)測結(jié)果混淆矩陣表明，經(jīng)過訓(xùn)練的模型對傷害等級的分類準(zhǔn)確率達(dá)100%，對預(yù)測集的預(yù)測準(zhǔn)確率達(dá)98%?！辟掼磋凑f。

基于此，該團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)由摩擦納米發(fā)電機(jī)傳感陣列、數(shù)據(jù)處理模塊和移動(dòng)終端組成的頭部撞擊遙感系統(tǒng)（HIRS）。此外，他們還增加了一個(gè)經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化的支撐結(jié)構(gòu)與摩擦納米發(fā)電機(jī)傳感陣列配合使用，以創(chuàng)建減少輕微腦震蕩影響的智能頭盔。結(jié)果表明，該頭部撞擊遙感系統(tǒng)能在臨床診斷輕微腦震蕩之前，快速查明損傷區(qū)域并提供準(zhǔn)確直觀的建議，有助于避免延誤診斷和治療。

“例如，在運(yùn)動(dòng)員受傷的情況下，教練和醫(yī)務(wù)人員可以通過該系統(tǒng)提供的結(jié)論來判斷是否需要終止比賽?！标悓殩|說，“此外，全3D打印傳感器技術(shù)的突破，使該系統(tǒng)可以匹配各種結(jié)構(gòu)和不同場景下的壓力傳感設(shè)備。因此，這種摩擦納米發(fā)電機(jī)傳感陣列有望在智能體育和可穿戴醫(yī)療領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。”

相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1126/sciadv.adg5152