国际医疗器械展览会柔性可穿戴设备设计分享
2024-03-06
随着 5G 时代的到来,可穿戴织物正朝着兼容人工智能(AI)、物联网(loT)、多级云和大数据的智能设备方向发展,以提供更好的人机交互体验。理想的智能织物需要多种技术支持:多功能信号识别传感器、多层次云支持的快速数据分析以及终端智能系统的信息反馈。柔性可穿戴设备是一种创新性的科技产品,采用柔软、轻便的材料设计,可贴合人体曲线,提供舒适的佩戴体验。这类设备通常集成了各种传感器、电池和连接技术,能够实现生物参数监测、运动追踪、通信和其他智能功能。其柔性设计使其适用于多种用途,如健康监测、智能手表、智能衣物等,同时能够在不妨碍日常活动的情况下持续提供个性化的数据反馈,推动了可穿戴技术的发展。
国际医疗器械展览会Medtec China了解到柔性可穿戴设备与传统设备的区别在于其采用柔软材料制成,能更好地贴合人体形态,成为一种创新的人机接口。相对于传统的硬质设备如键盘,柔性可穿戴设备如可穿戴手套采用柔软材质,能更好地贴合人手,通过采集手指弯曲等动作来输入信息。在“锻炼培训”领域的应用中,这些设备如可穿戴电子皮肤与语音信号采集器,通过精确采集人体信息,将其传输至电脑等电子设备进行分析,以达到研究结论或机器模仿的目的。这种技术结合了硬件与软件,实现了信息的双向传递,为“锻炼培训”领域提供了更为灵活、精准的工具。
传统设备与柔性可穿戴设备
1.感觉和触觉:
人体深度发展领域:电子皮肤在人体应用领域具有广泛的应用潜力,能够帮助人体感受一些极微弱的信号,例如光和声音等。通过结合到人体,电子皮肤可以扩展人的感知范围,提供对环境变化的实时反馈,为增强人体感知和交互提供新的可能性。
医疗健康领域:电子皮肤在医疗健康领域已经取得了初步应用。它被广泛用于心电监测、体温监测等医疗应用中。此外,电子皮肤也显示出在伤口愈合和康复方面的巨大潜力,可用于监测烧伤和割伤的康复过程。对于残疾人员而言,电子皮肤也可以作为一种辅助技术,帮助他们恢复身体机能,尤其在代替义肢方面具有良好的发展前景。这些应用有望改善医疗保健的效率和效果,提高患者的生活质量。
智能机器人(AI)领域:尽管智能机器人在视觉和听觉等功能上已经取得了显著进展,但机器人的皮肤往往是研发中容易被忽视的部分。传统的机器人外部覆盖着笨重的”盔甲”,难以实现多方向触觉的三维力检测,也难以感知拿取物体时所需的力量差异。电子皮肤具备良好的压敏特性和柔韧性,可以有效解决机器人设计中的难题。它不仅能够帮助机器人敏感地感知环境信息,还赋予了机器人更强的机械灵活性。通过电子皮肤的应用,智能机器人可以更准确地感知外部环境,更灵活地执行各种任务,从而在人机交互和物体操作等方面取得更大的突破。这一技术的推广应用将为智能机器人领域带来新的发展机遇。
可穿戴设备领域:与传统的坚硬电子产品相比,电子皮肤是一种柔性的电子产品,具有随着人体运动而灵活移动的特性。对于可穿戴设备,电子皮肤的应用前景广阔,它能够很好地贴合在皮肤上,使得设备更为舒适,更灵敏,更准确地检测信息。苏业旺教授指出,当电子皮肤的功能不断强大,实用性不断提高时,它有可能取代目前的一些电子产品,如手机和手表等。电子皮肤的柔性和与人体的天然结合,使得可穿戴设备更符合人体工程学,能够更好地适应日常生活和各种运动场景。这种创新性的技术有望为可穿戴技术带来新的突破,推动未来可穿戴设备的发展。
语音信号采集器
国际医疗器械展览会 Medtec China了解到随着人机互动和物联网技术的迅速兴起,对于开发机械灵活、神奇的可穿戴功能化传感器的需求越来越迫切。在这一背景下,新材料和新设备的涌现对技术的设计和发展至关重要。石墨烯作为一种具有原子级厚度、机械灵活性、轻质、高导电性和透明度的材料,特别引人注目。其独特的大比表面积使其对外部刺激的感知具有高度灵敏度,因此有望广泛应用于柔性传感器技术,为可穿戴设备的发展提供了强大支持。
清华大学的研发团队首次成功将石墨烯应用于可穿戴智能人工喉设备,创造了一枚硬币大小的“石墨烯人工喉”,为语言障碍者提供了一种重获新声的创新解决方案。石墨烯具有对低频肌肉运动、中频食管振动和高频声波信息的高度敏感性,同时还具备抗噪声的语音感知能力。清华大学集成电路学院教授任天令团队研发的石墨烯智能人工喉不仅能够通过热声效应发出一定频率的声音,还能够辨别用户的不同动作,如低吟、尖叫、咳嗽、吞咽、点头等,并将这些“无含义声音”转换为频率和强度可控的有意义声音。经过数次升级的新一代石墨烯人工喉成功识别了一名喉切除术患者模糊说出的日常词汇,准确率超过90%,基本恢复了患者的语言交流能力。此外,通过训练,有望实现更高级的语言表达,如“吟诗作唱”,代表了一种崭新的智能芯片系统,为人机交互带来了新的可能性。
柔性神经拟态触觉感知系统
斯坦福大学的鲍哲楠教授、首尔大学的Tae-Woo Lee教授以及南开大学的徐文涛教授领导的团队联合发表的研究论文介绍了一种基于柔性有机电子器件的高灵敏度仿生触觉神经系统。这一人工神经触觉系统具备生物兼容性良好、柔性、高灵敏度等特点,具有在机器人手术、义肢感触等领域的广泛应用前景。这项研究为仿生触觉技术的发展提供了有力支持,有望在医疗和机器人领域取得重要突破。
中美韩三国科学家在实验中成功利用柔性有机材料制造出类似人体SA-I触觉神经的人造感知神经。这一人造神经系统包括电阻式压力传感器、有机环形振荡器和突触晶体管三个核心部件。系统通过一系列感受器感知微小压力变化并产生相应电压变化,通过环形振荡器将电压变化转化为电脉冲信号。多个环形振荡器得到的电信号通过突触晶体管集成为突触电流,从而传递到下一级神经。这种人造神经成功模拟了人类皮肤触觉功能,与生物体神经信号兼容,创造性地制造出柔性人造感知神经,并在与动物神经形成的杂化反射弧中取得了初步成功。该技术有望在医疗和机器人领域带来重要的创新应用。
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