開發(fā)一種高集成度、低成本的活魚可穿戴電子系統(tǒng)

★研究背景

有水運輸途中水質的變化以及機械損害可能導致魚類的長期健康問題。低溫無水運輸作為一種清潔而新穎的運輸策略逐漸受到關注。然而，運輸過程不可避免的各類脅迫因素會造成活魚的生理參數波動以及應激反應。應激水平的合理評估成為了制定動態(tài)調控策略以及提高存活率的前提。近年來，可穿戴電子，尤其是可拉伸電子由于在健康監(jiān)測、電子皮膚、以及可穿戴顯示領域的潛在應用而備受關注。軟器件可以可靠且無損地共形于各類物體表面，例如皮膚、植物、和食品，用于實時質量檢測或監(jiān)測。同樣，可以將其黏附于活體動物體表，以原位獲取養(yǎng)殖或運輸期間的環(huán)境和生理參數。

中國農業(yè)大學張小栓教授團隊開發(fā)并應用了一種高集成度、低成本的活魚可穿戴電子系統(tǒng)（LFWES）。系統(tǒng)由PDMS基的氣動直寫可拉伸電路（SC）連接fPCB構成。良好的結構設計保證了小體積、柔軟的優(yōu)勢，同時在拉伸循環(huán)后仍能實現溫濕度、歐拉角的多模無線傳輸。我們首次提出將SC穿戴于活魚鰓部用于無損監(jiān)測呼吸運動狀態(tài)以及微環(huán)境參數。在10 h的模擬運輸過程中鱘魚應激狀態(tài)可以劃分為急性應激、應激適應、和應激累積階段，結果與標準血糖數據相匹配。同時，模糊神經網絡（FNN）被用于針對環(huán)境和生理數據融合建模，應激等級評估精度達到了88.1%。此研究對于將可穿戴電子技術與活體動物的運輸過程相結合，提升運輸效益與管理水平具有指導意義。

★ 文章解析

在活魚的低溫無水運輸過程中，魚鰓的呼吸運動歐拉角是應激參數的關鍵表征指標。魚鰓的張閉運動對應角度的周期性波動，進而對個體應激強弱進行特征提取，如圖1a所示。同時，活魚充氧運輸袋中的微環(huán)境參數變化對于個體累積應激的影響不容忽視。據此，我們設計并開發(fā)了LFWES，由 PDMS基SC經軟排線連接fPCB組成。SC和fPCB分別具有33 × 26 mm2 和42 × 38 mm2的較小尺寸，而軟排線可根據魚體長度進行靈活調整。系統(tǒng)示意圖以及概念框架如圖1b,c所示。SC搭載了高精度數字式溫濕度傳感器SHT30以及六軸姿態(tài)傳感器MPU6050。后者自帶的數字運動處理器（DMP）能夠實現歐拉角的解算，進而對活魚的呼吸深度（RD）和呼吸強度（RI）進行特征提取。元器件之間通過可拉伸導電銀漿進行電氣連接。兩傳感元件均作為I2C從機設備進行實時數據傳輸。微控制單元（MCU）進一步連接外部藍牙模塊將數據無線透傳至終端，全系統(tǒng)由可充電5V，900 mAh的鋰離子聚合物電池供電。如圖1d所示為組裝完成的柔性感知系統(tǒng)實物圖，在保證穩(wěn)定工作的前提下具有緊湊的布局，能夠滿足活體動物可穿戴的應用場景需求。

圖1：LFWES的主要設計思想

旋涂制備300μm厚的PDMS膜并進行氧等離子處理作為可拉伸基底。使用多功能打印機（Prtronic，DB100）的氣動直寫模式在薄膜表面打印預先設計的電路。工作參數如下：氣壓80 kPa，速度 5 mm/s，Z軸間距0.2mm。上述參數可微調以靈活控制線寬。接著，將電阻器、電容器以及傳感芯片植入電路相應位置，利用銀漿的較強黏附力使其與引腳良好接觸。電路被置于100 ℃環(huán)境退火1 h實現銀漿的固化，確保元器件不損壞的條件下加固焊接。最后，使用Kapton膠帶進行溫濕度感知芯片的表面封裝以提高其工作可靠性，并澆注PDMS前體并在80攝氏度下退火3 h完成整體電路封裝。得益于可拉伸導電銀漿的優(yōu)良基底附著力與斷裂伸長率，SC展現出了良好的拉伸、彎曲、和扭轉特性（圖2b–d）。同時，所設計的SC厚度小于2mm，質量約1.5 g，在最小化活魚穿戴過程外部刺激的引入方面具備優(yōu)勢。

圖 2：SC的制備

無水活體運輸前需要對魚進行禁食暫養(yǎng)和梯度降溫休眠處理。小心地擦拭鱘魚鰓蓋表面的積水與黏液后使用醫(yī)用等級快干膠水（PR100, 3M）將SC共形于鰓蓋表面，隨后立即放入自制緩沖板并充氧包裝（圖3）。充氧運輸袋被置于4℃低溫培養(yǎng)箱10 h以模擬無水活體運輸過程。

圖 3：低溫無水活魚運輸多參數監(jiān)測

為了清晰地描述鱘魚無水運輸過程應激等級評估模型，搭建了圖4a所示的評估框架，主要包含目標層、規(guī)則層、和等級層。其中RD和RI分別提取自角度波形的幅值和頻率。每個因子下鱘魚的應激等級被劃分為了5個等級?？紤]到環(huán)境和生理因子與應激等級之間存在模糊而復雜的非線性關系，選擇模糊神經網絡（FNN）進行多因子的數據處理與建模。如圖4b所示，FNN包括輸入層，模糊化層，模糊規(guī)則層，和輸出層。模型訓練過程訓練集與驗證集的比例設為7：1。按照時間軸等距抽樣的方式選取了來自十條魚的151組數據代入模型進行測試。為保證模型的泛化能力和預測精度，通過多次訓練和驗證確定了以下關鍵的模型參數：迭代次數=100，隸屬度函數個數=10，神經網絡系數=0.3，誤差容限=0.01。

圖 4：鱘魚無水運輸過程應激水平評估模型構建

圖 5：SC的機械性能探究

在PDMS基底上氣動直寫可拉伸導電銀漿制備了兩種蛇形導電圖案以分別測試橫向和縱向拉伸性能。通過協(xié)調直寫參數，可以實現線寬和線間距小于250 μm的導電銀線的制備，驗證了精密電路制造的可行性。圖5探究了銀漿在基底上的流動性、黏附性、以及拉伸過程的機電性能。對SC施加10%的拉伸應變1000個循環(huán)后探究其電氣性能，如圖6所示。

使用制備的LFWES對充氧運輸袋中的微環(huán)境以及鱘魚生理參數進行長達10 h的貼附式無損監(jiān)測?？梢缘玫饺缦碌镊\魚無水運輸過程應激狀態(tài)變化規(guī)律：

Stage Ⅰ: (~ 0–1 h) Acute stress.個體進入無水低溫運輸新環(huán)境而產生較為劇烈的應激反應。鰓蓋張閉角度以及頻率快速上升，RD和RI均處于較高水平。

Stage Ⅱ: (~ 1–8 h) Stress adaptation.隨著時間推移，運輸袋微環(huán)境參數趨于穩(wěn)定，個體逐漸開始適應運輸新環(huán)境，呼吸角度及頻率停止升高，RD和RI降低至中等水平后開始出現較大幅度的波動。

Stage Ⅲ: (~ 8–10 h) Stress accumulation.在外部應激源的持續(xù)影響下，個體應激已達到較高水平，RD和RI逐漸在較低的水平趨向穩(wěn)定，伴隨著明顯下降的波動幅度。

如圖7d所示，血糖濃度在前7h內逐漸下降，而后回升。鱘魚在Stage Ⅰ–Ⅱ 面對新環(huán)境的脅迫不斷調節(jié)生理代謝活動，此過程血糖作為直接能量來源。隨著適應期的結束，體內血糖調節(jié)導致濃度出現相反的變化趨勢。該結果有效佐證了上述規(guī)律，表明角度測量間接反應應激狀態(tài)的可行性。

圖 6：SC的電氣性能

圖 7：無水活體運輸環(huán)境生理參數評估

如圖7所示，在使用SVM模型預測牡蠣的應力水平之前，對模型因子進行交叉驗證優(yōu)化。交叉驗證結果表明，gamma值為6的多項式核函數(poly)最適合SVM模型。在右-右-殼、左-右-殼和左-左-殼測量位置的準確度分別為93.94%、93.94%和90.91%。與更厚、更不均勻的左殼相比，電極與右殼表面的粘附更緊密，電流路徑更穩(wěn)定。在右-右殼和左-右殼測量位置預測精度較高。

圖 8：無水活體運輸過程鱘魚的應激水平評估

基于LFWES所收集的10 h內的真實數據，我們對鱘魚的應激水平進行了合理的評估。如圖8a所示，很顯然測試集預測結果呈現出了快速上升，大幅度波動上升，和緩慢穩(wěn)定上升三個階段。階段之間的分界時間節(jié)點分別為0.73 h和7.47 h，這較好地匹配了圖7c所描述的三個應激階段。將預測值映射至定義的應激等級1–5，并與真實值對比，結果如圖8b所示。很顯然預測值與真實值大部分相同，誤差多分布于0值以上，表明該模型對應激等級的評價較為嚴格。模型預測精度達到88.1%，為無水活體運輸過程的應激評估提供了參考。

審核編輯：劉清