基于機(jī)器學(xué)習(xí)的3D打印保形應(yīng)變和濕度傳感器實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)

可穿戴傳感器由于其靈活性和重量輕的特點(diǎn)，在醫(yī)療保健應(yīng)用領(lǐng)域獲得了極大關(guān)注。然而，開發(fā)易于制造和保形性良好的魯棒性可穿戴傳感器仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，南洋理工大學(xué)（Nanyang Technological University）的科研人員合成了一種導(dǎo)電石墨烯納米板-碳納米管（GC）油墨，用于多射流熔融（MJF）打印。MJF的逐層制造工藝不僅提高了GC傳感器的力學(xué)性能和阻燃性能，而且提高了其魯棒性和靈敏度。此外，利用GC傳感器收集的阻力變化數(shù)據(jù)對(duì)支持向量機(jī)（SVM）進(jìn)行訓(xùn)練，其預(yù)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確率為95.83%。由于其穩(wěn)定的濕度敏感性，GC傳感器在監(jiān)測(cè)人體呼吸和預(yù)測(cè)呼吸模式（正常呼吸、快速呼吸和深呼吸）方面也表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，從而擴(kuò)大了其在醫(yī)療保健領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。相關(guān)研究成果以“3D Printed Conformal Strain and Humidity Sensors for Human Motion Prediction and Health Monitoring via Machine Learning”為題發(fā)表在Advanced Science期刊上。

在這項(xiàng)研究工作中，科研人員使用石墨烯納米板（GNP）和碳納米管（CNT）制備了導(dǎo)電油墨。GNPs-CNTs（GC）油墨被用作MJF打印的助熔劑（FA），以制造多層應(yīng)變和濕度傳感器。MJF打印機(jī)不僅可以調(diào)節(jié)沉積油墨的類型和位置，還可以根據(jù)樣品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)整噴墨的劑量，從而生產(chǎn)出具有不同導(dǎo)電性能的材料。傳感器的逐層制造工藝不僅減少了導(dǎo)電填料的消耗，而且增強(qiáng)了印刷GC傳感器的機(jī)械強(qiáng)度。MJF打印的各種形狀的傳感器具有優(yōu)異的保形性，可用于運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)和健康監(jiān)測(cè)目的。

GC傳感器的制造和應(yīng)用

所制造的GC傳感器具有應(yīng)變和彎曲靈敏度。GC傳感器的電阻隨著拉伸和向外彎曲而增加，但隨著向內(nèi)彎曲而減小。通過(guò)分析由于變形而產(chǎn)生的不同信號(hào)來(lái)監(jiān)測(cè)傳感器的形狀變化，并且可以根據(jù)這些信號(hào)來(lái)預(yù)測(cè)彎曲方向的變化。這些特征可用于監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)，如手腕、脖子、膝蓋和肘部的復(fù)雜關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。采用MJF打印技術(shù)制造的GC傳感器具有柔韌性、重量輕和可定制的特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)與關(guān)節(jié)的最佳保形性。

所制造的GC傳感器的機(jī)電特性和人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)測(cè)試

科研人員開發(fā)了一種用于信號(hào)處理的多類支持向量機(jī)（SVM）分類器。利用傳感數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練，以自動(dòng)確定人體運(yùn)動(dòng)。這項(xiàng)研究考慮了六種常見的運(yùn)動(dòng)（坐下、爬樓梯、蹲下、跑步、走路和跳躍）。原始電阻數(shù)據(jù)由附著在受試者膝蓋上的GC傳感器直接收集。基于特征矩陣訓(xùn)練模型，實(shí)現(xiàn)了95.83%的高分類精度。

機(jī)器學(xué)習(xí)的工作機(jī)制及其潛在應(yīng)用

通過(guò)利用MJF打印技術(shù)，科研人員制造了一種帶有集成傳感器過(guò)濾器的口罩，可以通過(guò)檢測(cè)呼吸引起的濕度變化來(lái)檢測(cè)呼吸模式的變化。集成傳感器由熱塑性聚氨酯（TPU）和GC交替層組成，其結(jié)構(gòu)與應(yīng)變傳感器相同，但具有不同的類似過(guò)濾器形狀。研究結(jié)果表明，使用MJF打印技術(shù)制造的GC/TPU復(fù)合材料可以作為一種可靠的濕度傳感器，在機(jī)器學(xué)習(xí)的幫助下精確預(yù)測(cè)呼吸模式。

GC傳感器的濕度敏感性和潛在應(yīng)用

總而言之，科研人員開發(fā)了一種新型GC油墨，并利用MJF打印技術(shù)制造了一系列實(shí)用且可擴(kuò)展的應(yīng)變和濕度傳感器。這些傳感器表現(xiàn)出與人體關(guān)節(jié)的極好保形性和良好的機(jī)械性能，例如靈活性和魯棒性。從彎曲傳感器獲得的輸出數(shù)據(jù)對(duì)變形方向高度敏感，證明該傳感器非常適合監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)。多層彎曲傳感器能夠檢測(cè)手腕彎曲，并識(shí)別五種基本的緊急手勢(shì)信號(hào)，包括“走”、“?！?、“右轉(zhuǎn)”、“左轉(zhuǎn)”和“有危險(xiǎn)”。此外，從佩戴在膝蓋上的彎曲傳感器獲得的輸出信號(hào)被用于訓(xùn)練SVM，以預(yù)測(cè)六種常見運(yùn)動(dòng)，包括行走、跑步、坐下、蹲下、跳躍和爬樓梯，其準(zhǔn)確率為95.83%。機(jī)器學(xué)習(xí)和彎曲傳感器的集成在預(yù)測(cè)人類運(yùn)動(dòng)和實(shí)現(xiàn)及時(shí)救援措施方面具有巨大潛力。此外，該傳感器優(yōu)異的濕度靈敏度使其成為監(jiān)測(cè)人體呼吸的絕佳候選者。所制備GC傳感器提高的熱穩(wěn)定性和阻燃性，確保了其在消防救援中的安全應(yīng)用。利用先進(jìn)的GC油墨和快速M(fèi)JF制造技術(shù)，有望賦予應(yīng)變濕度傳感器靈活性、魯棒性和形狀記憶，從而在人類安全和醫(yī)療保健方面帶來(lái)重大有益影響。

審核編輯：劉清