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太原理工張虎林教授 JMCA：深度學(xué)習(xí)輔助的透氣熱電水凝膠陣列用于自供電心理監(jiān)測
2025-03-20  來源：高分子科技

  面部表情作為非語言交流的重要媒介，能反映心理和情感健康狀況，尤其在青少年群體中，其對于早期發(fā)現(xiàn)焦慮、抑郁等不良心理狀況至關(guān)重要，以便及時進(jìn)行有效干預(yù)和預(yù)防。目前的面部表情識別技術(shù)主要有基于圖像的方法和生理信號檢測。基于圖像的方法依賴計算機視覺和機器學(xué)習(xí)分析攝像頭捕捉的表情，但易受光照、遮擋及隱私問題影響。生理信號檢測，如面部肌電圖（EMG）或腦電圖（EEG），通過電信號關(guān)聯(lián)情緒狀態(tài)，更可靠，但電極笨重、佩戴舒適性差。傳統(tǒng)心理評估方法（如訪談、問卷）耗時且主觀，缺乏實時可行性。因此，開發(fā)更高效、舒適的可穿戴設(shè)備對于心理健康的監(jiān)測和干預(yù)具有重要意義。


圖1. 皮膚一體化熱電水凝膠陣列設(shè)計


  近期，太原理工大學(xué)集成電路學(xué)院張虎林教授團(tuán)隊提出了一種具有高環(huán)境穩(wěn)定性的透氣熱電水凝膠陣列，用于基于面部表情識別的連續(xù)心理監(jiān)測。該貼片利用熱電水凝膠獲取高質(zhì)量的電流信號，并以明膠薄膜作為粘附基底和封裝層。其通孔結(jié)構(gòu)設(shè)計賦予了貼片優(yōu)異的透氣性，使其能夠長期附著于皮膚而不會引起任何皮膚炎癥。通過引入雙網(wǎng)絡(luò)和植酸，實現(xiàn)了機械性能（1.07 MPa的應(yīng)力）和電學(xué)性能（34.4 mS cm-1的電導(dǎo)率）的平衡。得益于植酸、甘油和水之間的多重氫鍵作用，熱電功率和電流在10天后仍能保持其原始值的80%。此外，由于可逆和動態(tài)的非共價相互作用，該水凝膠表現(xiàn)出顯著的回收性和可降解性。結(jié)合深度學(xué)習(xí)，水凝膠陣列能夠?qū)崿F(xiàn)對六種不同面部表情的識別，準(zhǔn)確率高達(dá)100%。此外，通過評估積極和消極情緒的比例（即積極比率），展示了長期心理監(jiān)測的能力。該工作以“Deep-learning-enabled breathable thermogalvanic hydrogel array for self-powered mental monitoring”為題發(fā)表在《Journal of Materials Chemistry A》（IF=10.7）。太原理工大學(xué)碩士生李雨為第一作者，通訊作者為太原理工大學(xué)張虎林教授。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、山西省科技合作交流專項和山西省研究生科技創(chuàng)新項目的支持。


圖2. PCPG的機械性能研究


圖3. PCPG的熱電性能


圖4. PCPG的傳感機制和性能


圖5. 深度學(xué)習(xí)輔助的心理健康監(jiān)測


  該成果是張虎林教授團(tuán)隊關(guān)于凝膠熱電器件研究的最新進(jìn)展之一，這項工作構(gòu)想了深度學(xué)習(xí)輔助的熱電凝膠在心理監(jiān)測和人機交互中的廣闊前景。自2021年以來，張虎林教授團(tuán)隊制備了一系列基于不同聚合物網(wǎng)絡(luò)和氧化還原對的熱電凝膠可穿戴器件，并致力于開拓凝膠器件在人體健康監(jiān)測和信息交互領(lǐng)域的應(yīng)用場景，取得了一系列重要研究成果，具體詳見：https://cic.tyut.edu.cn/info/1893/9257.htm

  原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D5TA00253B

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