利用MJF實(shí)現(xiàn)一體化多功能可穿戴傳感器的制備

可穿戴傳感器可將人體各種生理信號(hào)轉(zhuǎn)換為可直接觀測的電信號(hào)，為了解人體健康提供豐富的信息，有望為人體實(shí)時(shí)活動(dòng)、健康狀況提供預(yù)測平臺(tái)。然而，由于傳統(tǒng)制造技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)可穿戴傳感器的定制化加工，現(xiàn)階段對(duì)于可穿戴傳感器的研究仍依賴于多種加工方式的結(jié)合，效率低且重復(fù)性差。同時(shí)，傳統(tǒng)加工工藝很難做到功能填料的選擇性分布，這不僅影響了傳感器的靈敏度和性能表現(xiàn)，還限制了可穿戴傳感器的功能擴(kuò)展以及其在人體活動(dòng)、健康監(jiān)測等方面的快速發(fā)展。

近期，新加坡南洋理工大學(xué)周琨教授團(tuán)隊(duì)在Advanced Science期刊上發(fā)表題為“3D Printed Conformal Strain and Humidity Sensors for Human Motion Prediction and Health Monitoring via Machine Learning”的文章，提出了一種可用于多射流熔融（MJF）3D打印技術(shù)的助熔劑，并利用MJF實(shí)現(xiàn)了一體化多功能可穿戴傳感器的制備（圖1）。助熔劑的選擇性分布和MJF打印技術(shù)的結(jié)合不僅提高了傳感器的機(jī)械性能和阻燃性能，還增強(qiáng)了傳感器的性能穩(wěn)健性和靈敏度。此外，MJF打印的可穿戴傳感器收集的電阻變化數(shù)據(jù)可用于訓(xùn)練支持向量機(jī)（SVM）以用于預(yù)測人體活動(dòng)，準(zhǔn)確率達(dá)到95.83%。由于其穩(wěn)定的濕度敏感性，該傳感器在監(jiān)測人體呼吸和預(yù)測呼吸模式方面表現(xiàn)出色，拓展了其在醫(yī)療保健領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。這項(xiàng)工作為MJF打印的可穿戴傳感器在預(yù)測各種人體活動(dòng)的應(yīng)用中開辟了新的途徑。

圖1 MJF打印可穿戴式傳感器的制備及應(yīng)用

如圖2所示，利用功能性助熔劑的選擇性分布，研究人員制備了具有仿貝殼結(jié)構(gòu)的可穿戴傳感器。功能性助熔劑的選擇性分布進(jìn)一步提高了傳感器的力學(xué)強(qiáng)度和阻燃性能。這對(duì)于提高可穿戴傳感器的耐用性和耐火性都有重要意義，有利于將其應(yīng)用于火場救援等場景之中。

圖2 MJF打印可穿戴傳感器的機(jī)械性能與阻燃性能

如圖3所示，SVM模型可以同時(shí)分析大量數(shù)據(jù)，而不會(huì)存在丟失或誤解關(guān)鍵信號(hào)的風(fēng)險(xiǎn)。在濃煙阻礙視覺觀察或紅外熱像儀受到熱浪干擾的情況下，將此機(jī)器學(xué)習(xí)方法與可穿戴傳感器相結(jié)合對(duì)于自動(dòng)預(yù)測人體活動(dòng)非常重要。MJF打印的可穿戴傳感器可收集活動(dòng)產(chǎn)生信號(hào)并及時(shí)識(shí)別活動(dòng)類型，對(duì)處于危險(xiǎn)中的人員立即派遣援助。因此，這些具有改進(jìn)阻燃性的傳感器可用于火場工作人員的活動(dòng)監(jiān)測，以實(shí)現(xiàn)個(gè)人防護(hù)。

圖3 機(jī)器學(xué)習(xí)的工作機(jī)制及其結(jié)合MJF打印可穿戴傳感器的應(yīng)用

利用MJF打印技術(shù)，研究人員成功打印了一款配備傳感功能的過濾器，并將其放置于面罩中。該面罩可以通過檢測呼吸引起的濕度變化來檢測呼吸模式的變化（圖4）。可穿戴傳感器的電阻隨外部濕度變化，并且呈現(xiàn)出不同的響應(yīng)時(shí)間和強(qiáng)度變化。通過SVM機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，可以幫助評(píng)估個(gè)人的生命體征，并在檢測到呼吸停止時(shí)立即進(jìn)行醫(yī)療干預(yù)。

圖4 MJF打印可穿戴傳感器的濕度靈敏度及其潛在應(yīng)用

該論文第一作者為新加坡南洋理工大學(xué)博士后研究員侯雁北博士，通訊作者為新加坡南洋理工大學(xué)的周琨教授。文章合著者包括南洋理工大學(xué)博士生高銘和高靜雯、南洋理工大學(xué)Edwin Hang Tong Teo副教授、上海交通大學(xué)王東副教授、惠普公司的Lihua Zhao博士和佐治亞理工大學(xué)齊航教授。

審核編輯：劉清