據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，最近一項(xiàng)研究報(bào)告稱，科學(xué)家們發(fā)明了一種柔性可穿戴傳感器，這種傳感器可以集成到織物中，并檢測(cè)觸摸壓力以及測(cè)量身體運(yùn)動(dòng)，可用于監(jiān)測(cè)帕金森氏癥患者運(yùn)動(dòng)癥狀的進(jìn)展。
科學(xué)家們表示，將柔性傳感器直接放置在患者鞋底或使用棉布將傳感器固定在患者的膝蓋或足關(guān)節(jié)上，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者的行走問(wèn)題。
該研究小組目前正在荷蘭的一家帕金森康復(fù)中心，對(duì)神經(jīng)退行性疾病患者進(jìn)行這款傳感器的應(yīng)用評(píng)估。
格羅寧根大學(xué)（University of Groningen）的助理教授Ajay Kottapalli博士在一份新聞稿中說(shuō)：“這種柔性傳感器被用來(lái)監(jiān)測(cè)患者步態(tài)的惡化情況。”
Kottapalli說(shuō)，這款傳感器也顯示出其在防止跌倒方面的應(yīng)用前景。
“一些患者已經(jīng)在使用傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過(guò)耳機(jī)為他們提供步行速度和步長(zhǎng)的指示。我們知道，在跌倒之前，患者的步幅會(huì)縮短。”Kottapalli說(shuō)，“我們的傳感器系統(tǒng)可以提醒他們這一點(diǎn)。”
這項(xiàng)名為“Electrospun bundled carbon nanofibers for skin-inspired tactile sensing, proprioception and gesture tracking applications”的研究發(fā)表在Nature Flexible Electronics雜志上。
帕金森氏癥患者會(huì)出現(xiàn)震顫、動(dòng)作緩慢和肌肉僵硬等運(yùn)動(dòng)癥狀。許多人也很難保持平衡和行走，并且會(huì)出現(xiàn)不受控制的不自主運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)會(huì)影響到頭部、手臂、腿部甚至整個(gè)身體。
科學(xué)家們表示，實(shí)時(shí)測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)的可穿戴電子傳感器技術(shù)可能會(huì)提供有關(guān)疾病進(jìn)展的寶貴信息。事實(shí)上，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)呼吸模式以及姿勢(shì)、肌肉震顫、步態(tài)、關(guān)節(jié)和肢體的運(yùn)動(dòng)，有助于獲得早期診斷，跟蹤運(yùn)動(dòng)癥狀的變化，為患者特定的治療計(jì)劃提供支持。
目前，荷蘭格羅寧根大學(xué)的科學(xué)家們利用碳納米纖維（CNF）束制造出了可穿戴、可縫合且靈敏的傳感器，這些傳感器可以響應(yīng)壓力并測(cè)量身體的運(yùn)動(dòng)和位置。
盡管有帶電極的襯衫可以測(cè)量肌肉活動(dòng)——許多專業(yè)運(yùn)動(dòng)員使用的——但它們的柔性有限，分辨率低，無(wú)法準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)人體的各種運(yùn)動(dòng)。
“我們的傳感器會(huì)為此增加身體運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)，這是一種完全不同的方法。”Kottapalli說(shuō)。
“除了關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，傳感器還可以記錄呼吸運(yùn)動(dòng)。”他補(bǔ)充道。
碳納米纖維是通過(guò)一種稱為靜電紡絲的方法制造的。該方法可以制造出壓阻纖維（電導(dǎo)率在拉伸時(shí)會(huì)發(fā)生變化），然后將壓阻纖維以交叉模式嵌入橡膠狀材料中，形成一個(gè)“像素”來(lái)測(cè)量?jī)蓷l纖維交叉處的運(yùn)動(dòng)。
Kottapalli說(shuō)：“靜電紡絲類似于織物的制造方法，材料可以進(jìn)行‘紡織’，因此將導(dǎo)電紗線作為電極成為可能。”
研究小組表明，即使長(zhǎng)時(shí)間使用，這種傳感器也至少可以拉伸到原始長(zhǎng)度的50%，并且對(duì)不同程度的壓力仍然敏感。
為了證明傳感器在監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)方面的可行性，研究小組進(jìn)行了步態(tài)實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)關(guān)注手腕運(yùn)動(dòng)、呼吸運(yùn)動(dòng)、行走和慢跑。
在手腕運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，傳感器連接到患者的左手手腕，要求患者向前或左右彎曲手腕。與較小的運(yùn)動(dòng)相比，較大的腕部運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)烈的信號(hào)，并且傳感器可以區(qū)分向左和向右的運(yùn)動(dòng)。
該研究小組寫(xiě)道：“左右擺動(dòng)手腕時(shí)信號(hào)強(qiáng)度的持續(xù)失配是由于佩戴者向每個(gè)方向可達(dá)到的最大彎曲角度不一致導(dǎo)致的。”
當(dāng)傳感器固定在胸腔底部的橫膈膜區(qū)域時(shí)，它們?cè)谡：蜕詈粑\(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)顯示出不同的信號(hào)反應(yīng)。
該研究小組寫(xiě)道：“通過(guò)觀察信號(hào)強(qiáng)度和頻率，可以清楚地區(qū)分各種呼吸模式。”
將應(yīng)變傳感器放置在一個(gè)人的腳后跟上，以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量行走和慢跑時(shí)的響應(yīng)。與慢跑時(shí)出現(xiàn)的非常尖銳、強(qiáng)烈的信號(hào)峰值相比，在行走過(guò)程中，傳感器會(huì)顯示出更小的信號(hào)。研究人員寫(xiě)道，“結(jié)果表明傳感器能夠區(qū)分每天遇到的不同運(yùn)動(dòng)模式。”
這種傳感器還可以集成到手套中，以進(jìn)行觸摸壓力、手指運(yùn)動(dòng)、手勢(shì)和運(yùn)動(dòng)感知等測(cè)量。這些結(jié)果表明，集成這種傳感器的手套能夠感知不同手指的各種運(yùn)動(dòng)。研究人員說(shuō)，據(jù)此我們可以推測(cè)傳感器的一種潛在應(yīng)用——手部假肢，在這種假肢中，傳感器信號(hào)可以輸入患者的神經(jīng)系統(tǒng)。
“手套可以告訴你物體的硬度，就像正常的手一樣。”Kottapalli說(shuō)。“這是一種獨(dú)特的組合。”他補(bǔ)充說(shuō)，“我們的傳感器具有類似皮膚的功能。”
研究小組開(kāi)發(fā)并測(cè)試了一種由棉布制成的運(yùn)動(dòng)護(hù)膝，以證明將傳感器包裹在可穿戴織物類材料中的可行性。他們寫(xiě)道，伸直膝蓋和彎曲膝蓋時(shí)的信號(hào)明顯不同，信號(hào)寬度也隨膝蓋彎曲的速度而變化，這對(duì)于精確跟蹤膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)非常有用。
該研究小組還證明了傳感器可以測(cè)量多個(gè)點(diǎn)的觸摸壓力。在手套中，他們可以感知到手的形狀和運(yùn)動(dòng)，模仿人類手的許多神經(jīng)系統(tǒng)功能。
“總之，這項(xiàng)工作證明了電紡CNF束作為靈敏、線性且價(jià)格低廉的柔性壓阻傳感元件在開(kāi)發(fā)用于人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和觸覺(jué)傳感的可穿戴織物傳感器的可行性。”
