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凱斯西儲大學(xué)曹長勇教授課題組《Adv. Mater. Interfaces》：用于呼吸監(jiān)控和智能控制的自驅(qū)動人機(jī)交互傳感器
2022-07-09  來源：高分子科技

  據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)統(tǒng)計(jì)，全球約有10億人患有不同形式的殘疾。為改善殘障人士（包括其他行動不便的老人及其他病患）的生活質(zhì)量，科研人員提出了多種輔助技術(shù)和工具來幫助他們使用各種設(shè)施或與外部環(huán)境交互。人機(jī)界面(Human-Machine-Interface, HMI)作為一種有效的交互手段，可以方便地連接人與機(jī)器實(shí)現(xiàn)信息的傳遞和交流，受到廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的HMI設(shè)備，如智能手表、智能手環(huán)、眼鏡、智能服裝等，主要基于肢體動作或語言實(shí)現(xiàn)控制交流，適合于正常健康人群或具有良好的控制和移動能力的殘疾人。但對于肢體功能嚴(yán)重受損的人，如四肢癱瘓或缺失、肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）、閉鎖綜合征患者等，由于其無法通過肌肉運(yùn)動或語言來表達(dá)自己的意圖，傳統(tǒng)的HMI并不能滿足需要。因此，開發(fā)新型的方便重度殘疾人使用的人機(jī)界面系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和社會意義。


  近日，美國凱斯西儲大學(xué)曹長勇教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于呼吸控制的人機(jī)界面系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了一款新設(shè)計(jì)的基于摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）的呼吸傳感器和信號處理控制電路。其中，呼吸傳感器主要由一個用于固定HMI在鼻端的小型軟固定器和兩個基于單電極模式的TENG構(gòu)成（圖1）。研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合數(shù)值模擬和試驗(yàn)測試詳細(xì)研究了彈性薄膜厚度、發(fā)電機(jī)面積和摩擦面距離等關(guān)鍵參數(shù)對HMI器件傳感性能的影響，并對器件設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。在不影響正常呼吸的情況下，該裝置能夠有效地檢測呼吸狀況的變化，并根據(jù)不同的呼吸模式產(chǎn)生響應(yīng)性電壓信號。結(jié)合簡易的信號處理電路，科研團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一新的人機(jī)界面系統(tǒng)可以實(shí)時檢測使用者（如病人或老年人）的呼吸狀況，對出現(xiàn)的呼吸異常及時發(fā)出警報，并利用該裝置實(shí)現(xiàn)對智能家居設(shè)備和智慧基礎(chǔ)設(shè)施的控制和使用。該研究成果提供了一種低成本的呼吸監(jiān)測和智能控制方式，為開發(fā)新一代適用于重度殘疾人和病人的人機(jī)界面系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。 


圖1.基于呼吸驅(qū)動的摩擦電傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作機(jī)理。（a）基于摩擦電傳感器的人機(jī)界面系統(tǒng)示意圖。（b）摩擦電傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。（c，d）摩擦電傳感器的光學(xué)照片。（e）硅膠薄膜表面微結(jié)構(gòu)的SEM照片。（f）摩擦電傳感器的工作原理示意圖。（g）摩擦電傳感器的電勢仿真模擬。 


圖2. 摩擦電傳感器的傳感性能。（a）基于不同摩擦電材料的傳感器的輸出信號。（b）摩擦電傳感器在不同驅(qū)動頻率下的輸出信號。（c）鼻孔與傳感器之間不同距離下摩擦電傳感器的輸出電壓。（d）不同Ecoflex薄膜厚度的傳感器輸出電壓。插圖顯示了制備的Ecoflex薄膜的橫截面視圖。（e，f）輸出電壓信號隨間隙距離和間隔器尺寸的變化。（g）摩擦電傳感器在10,000次循環(huán)重復(fù)測試下的輸出電壓。 


圖3. 實(shí)時的人體呼吸檢測。（a）摩擦電傳感器測得的正常呼吸的輸出電壓信號。（b）輸出電壓隨不同呼吸模式的變化:緩慢、正常、快速和深呼吸。（c）不同呼吸模式下電壓信號的快速傅里葉變換(FFT)頻譜。（d）摩擦電傳感器從四個不同志愿者測得的輸出電壓。（e）四名志愿者的呼吸特征。（f）摩擦電傳感器在佩戴使用1 h后產(chǎn)生的輸出電壓信號。（g）摩擦電傳感器在不同臥床姿勢時的輸出電壓信號。 


圖4. 為重度殘障人士提供協(xié)助和監(jiān)測的人機(jī)界面系統(tǒng)。(a)設(shè)計(jì)的基于摩擦電傳感器的人機(jī)界面系統(tǒng)原理圖。(b)摩擦電傳感器輸出信號，經(jīng)過濾波放大后的電壓信號，和轉(zhuǎn)換后的觸發(fā)信號。(c)通過人機(jī)界面系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對家用電器的控制。(d)志愿者正常呼吸或停止呼吸時的傳感器信號和開關(guān)信號。(e)智能實(shí)時呼吸監(jiān)測系統(tǒng)可以對使用者出現(xiàn)的呼吸驟停和呼吸障礙發(fā)出警報。當(dāng)患者停止呼吸10秒時，會觸發(fā)警報，通知醫(yī)生或護(hù)理人員。


  該成果發(fā)表在國際知名期刊Advanced Materials Interfaces上。論文第一作者為逄堯堃博士（現(xiàn)為青島大學(xué)材料學(xué)院教授），通訊作者為美國凱斯西儲大學(xué)曹長勇教授。


  論文鏈接：Y. Pang, S. Chen, Y. Cao, Z. Huang, X. Xu, Y. Fang, C. Cao*. Self-powered multifunctional human-machine interfaces for respiratory monitoring and smart system control, Advanced Materials Interfaces, 2022, DOI:10.1002/admi.202201202.
  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/admi.202201202
  課題組網(wǎng)站：www.CaoGroup.org
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