新型柔性可穿戴感測器：有望用於醫療診斷、人機交互與虛擬現實！

近日，美國哈佛大學的研究人員們開發出一種柔軟、無毒的可穿戴感測器，它可以不顯眼地佩戴在手部，測量抓握的力量以及手部與手指的運動。

背景

早產兒經常會發育成神經運動與認知發育障礙。減少這些障礙症影響的最佳途徑，就是通過一系列的認知與運動測驗，儘早掌握情況。但是，準確測量並記錄兒童的運動機能，是一項複雜的工作。就像每一個父母都會告訴你的那樣，蹣跚學步的兒童不喜歡手上佩戴笨重的設備，還偏愛吃他們不應該吃的東西。

可穿戴設備，已成為疾病診斷與治療方面的一項重要創新技術，在人體生理指標與機能監測方面的發揮著極其重要的作用。之前，筆者介紹過許多相關的科研案例，這裡就不一一列舉了。今天，讓我們來看看可穿戴設備對於測量兒童運動機能又會有什麼樣的幫助？

創新

近日，美國哈佛大學的研究人員們開發出一種柔軟、無毒的可穿戴感測器，它可以不顯眼地佩戴在手部，測量抓握的力量以及手部與手指的運動。

（圖片來源：Siyi Xu、Daniel M. Vogt、Andreas W. Rousing/Harvard SEAS）

這項研究發表在《先進功能材料（Advanced Functional Materials）》期刊上，是哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）、Wyss生物啟發工程研究所、貝斯以色列女執事醫療中心與波士頓兒童醫院合作開發的成果。

哈佛大學技術開發辦公室提出了與新型柔性感測器架構相關的知識產權組合，並正在為這些技術尋求商業化機會。

技術

這種感測器的一個新要素就是無毒、高導電性的溶液。SEAS 研究生、論文第一作者 Siyi Xu 表示：「我們開發了一種新型導電液體，它的安全性可以媲美一小滴鹽水。它比之前的生物兼容性液體導電性更好，將通往更乾淨、更少雜訊數據的目標。」

這種具有感知功能的溶液是由碘化鉀以及甘油組成，碘化鉀口服液是一種膳食補充品，甘油是一種普通的食品添加劑。在短時間混合之後，甘油打破了碘化鉀的晶體結構，並形成鉀離子（K+）與碘離子（I-），使得液體導電。因為甘油的蒸發速率比水更低，而碘化鉀是高度可溶的，所以溶液不僅能在一定的溫濕度範圍內保持穩定，而且具有高導電性。

Xu 表示：「之前，具有生物相容性的柔性感測器是由氯化物-甘油溶液組成，但是這些溶液的導電性差，使得感測器數據的噪音變得很大，而且需要10個小時才能準備好。我們已經將這個時間縮短至20分鐘，並且獲取到了非常乾淨的數據。」

感測器的設計也考慮到了兒童的需求。與笨重的手套不同，這種硅橡膠感測器放置在手指上方與指尖上。

（圖片來源：Siyi Xu、Daniel M. Vogt、Andreas W. Rousing/Harvard SEAS）

論文合著者之一、波士頓兒童醫院與哈佛醫學院行為科學項目副教授、哈佛大學 Wyss 研究所副教員 Eugene Goldfield 是 Wyss 研究所研究兒童柔性電子項目的首席研究員，該研究所為早產以及有腦癱危險的兒童設計了模塊化的機器人系統。

Goldfield 及其同事目前正在使用 SEAS 與 Wyss 的運動捕捉實驗室研究運動機能。雖然運動捕捉可以告訴我們許多有關運動的情況，但是它無法測量力度，而力度對於診斷神經運動和認知發育障礙來說很關鍵。

價值

論文合著者之一、波士頓兒童醫院與哈佛醫學院行為科學項目副教授、哈佛大學 Wyss 研究所副教員 Eugene Goldfield 表示：「我們經常看到，早產或者被診斷為早期發育障礙的兒童具有高度敏感的皮膚。通過將這種設備粘到手指上面，可以獲取準確的信息，並能考慮到兒童手部的敏感性。」

Goldfield 表示：「早期診斷對於治療這些發育障礙來說很重要，這種可穿戴的感測器給我們帶來了目前沒有的優點。」

SEAS 工程與應用科學系教授、Wyss 研究所創始核心教員、論文高級作者 Rob Wood 表示：「量化複雜人體運動的能力，為我們帶來了一個前所未有的診斷工具。對於兒童運動技能發展的聚焦，為如何將許多感測器整合到一個小型、輕量、不顯眼的可穿戴設備中，帶來了獨特的挑戰。這些新型感測器解決了這些挑戰，而且如果我們能夠創造出勝任如此艱巨任務的可穿戴感測器，我們相信它也將開啟診斷、治療、人機交互界面與虛擬現實等方面的應用。」

（圖片來源：Siyi Xu、Daniel M. Vogt、Andreas W. Rousing/Harvard SEAS）

未來

這篇論文只在成人手部測試了該設備。下一步，研究人員們計劃縮小該設備，在兒童手部進行測試。

關鍵字

可穿戴技術、感測器、醫療

參考資料

【1】https://www.seas.harvard.edu/news/2018/12/safe-wearable-soft-sensor

【2】Siyi Xu, Daniel M. Vogt, Wen-Hao Hsu, John Osborne, Timothy Walsh, Jonathan R. Foster, Sarah K. Sullivan, Vincent C. Smith, Andreas W. Rousing, Eugene C. Goldfield, Robert J. Wood.Biocompatible Soft Fluidic Strain and Force Sensors for Wearable Devices. Advanced Functional Materials, 2018; 1807058 DOI: 10.1002/adfm.201807058

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