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(zhì)的變化以及機械損害可能導(dǎo)致魚類的長期健康問題。低溫?zé)o水運輸作為一種清潔而新穎的運輸策略逐漸受到關(guān)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(shù)波動以及應(yīng)激反應(yīng)。應(yīng)激水平的合理評估成為了制定動態(tài)調(diào)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(lǐng)域的潛在應(yīng)用而備受關(guān)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(zhì)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(shù)。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張小栓教授團隊開發(fā)并應(yīng)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(gòu)成。良好的結(jié)構(gòu)設(shè)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(xiàn)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(shù)。在10 h的模擬運輸過程中鱘魚應(yīng)激狀態(tài)可以劃分為急性應(yīng)激、應(yīng)激適應(yīng)、和應(yīng)激累積階段，結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)血糖數(shù)據(jù)相匹配。同時，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（FNN）被用于針對環(huán)境和生理數(shù)據(jù)融合建模，應(yīng)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(shù)與活體動物的運輸過程相結(jié)合，提升運輸效益與管理水平具有指導(dǎo)意義。

★ 文章解析

在活魚的低溫?zé)o水運輸過程中，魚鰓的呼吸運動歐拉角是應(yīng)激參數(shù)的關(guān)鍵表征指標(biāo)。魚鰓的張閉運動對應(yīng)角度的周期性波動，進而對個體應(yīng)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(shù)變化對于個體累積應(yīng)激的影響不容忽視。據(jù)此，我們設(shè)計并開發(fā)了LFWES，由 PDMS基SC經(jīng)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(jù)魚體長度進行靈活調(diào)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(shù)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(shù)字運動處理器（DMP）能夠?qū)崿F(xiàn)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(dǎo)電銀漿進行電氣連接。兩傳感元件均作為I2C從機設(shè)備進行實時數(shù)據(jù)傳輸。微控制單元（MCU）進一步連接外部藍牙模塊將數(shù)據(jù)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(yīng)用場景需求。

圖1：LFWES的主要設(shè)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(yù)先設(shè)計的電路。工作參數(shù)如下：氣壓80 kPa，速度 5 mm/s，Z軸間距0.2mm。上述參數(shù)可微調(diào)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(yīng)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(xiàn)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(dǎo)電銀漿的優(yōu)良基底附著力與斷裂伸長率，SC展現(xiàn)出了良好的拉伸、彎曲、和扭轉(zhuǎn)特性（圖2b–d）。同時，所設(shè)計的SC厚度小于2mm，質(zhì)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?zé)o水活魚運輸多參數(shù)監(jiān)測

為了清晰地描述鱘魚無水運輸過程應(yīng)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(biāo)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(yīng)激等級被劃分為了5個等級?？紤]到環(huán)境和生理因子與應(yīng)激等級之間存在模糊而復(fù)雜的非線性關(guān)系，選擇模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（FNN）進行多因子的數(shù)據(jù)處理與建模。如圖4b所示，F(xiàn)NN包括輸入層，模糊化層，模糊規(guī)則層，和輸出層。模型訓(xùn)練過程訓(xùn)練集與驗證集的比例設(shè)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(shù)據(jù)代入模型進行測試。為保證模型的泛化能力和預(yù)測精度，通過多次訓(xùn)練和驗證確定了以下關(guān)鍵的模型參數(shù)：迭代次數(shù)=100，隸屬度函數(shù)個數(shù)=10，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系數(shù)=0.3，誤差容限=0.01。

圖 4：鱘魚無水運輸過程應(yīng)激水平評估模型構(gòu)建

圖 5：SC的機械性能探究

在PDMS基底上氣動直寫可拉伸導(dǎo)電銀漿制備了兩種蛇形導(dǎo)電圖案以分別測試橫向和縱向拉伸性能。通過協(xié)調(diào)直寫參數(shù)，可以實現(xiàn)線寬和線間距小于250 μm的導(dǎo)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(yīng)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(shù)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(yīng)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(chǎn)生較為劇烈的應(yīng)激反應(yīng)。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(shù)趨于穩(wěn)定，個體逐漸開始適應(yīng)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(xiàn)較大幅度的波動。

Stage Ⅲ: (~ 8–10 h) Stress accumulation.在外部應(yīng)激源的持續(xù)影響下，個體應(yīng)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(nèi)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(diào)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(yīng)期的結(jié)束，體內(nèi)血糖調(diào)節(jié)導(dǎo)致濃度出現(xiàn)相反的變化趨勢。該結(jié)果有效佐證了上述規(guī)律，表明角度測量間接反應(yīng)應(yīng)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(shù)評估

如圖7所示，在使用SVM模型預(yù)測牡蠣的應(yīng)力水平之前，對模型因子進行交叉驗證優(yōu)化。交叉驗證結(jié)果表明，gamma值為6的多項式核函數(shù)(poly)最適合SVM模型。在右-右-殼、左-右-殼和左-左-殼測量位置的準(zhǔn)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(yù)測精度較高。

圖 8：無水活體運輸過程鱘魚的應(yīng)激水平評估

基于LFWES所收集的10 h內(nèi)的真實數(shù)據(jù)，我們對鱘魚的應(yīng)激水平進行了合理的評估。如圖8a所示，很顯然測試集預(yù)測結(jié)果呈現(xiàn)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(yīng)激階段。將預(yù)測值映射至定義的應(yīng)激等級1–5，并與真實值對比，結(jié)果如圖8b所示。很顯然預(yù)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(yīng)激等級的評價較為嚴(yán)格。模型預(yù)測精度達到88.1%，為無水活體運輸過程的應(yīng)激評估提供了參考。

審核編輯：劉清