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近日，太原理工大學(xué)信息與計算機學(xué)院張虎林教授課題組在自驅(qū)動傳感領(lǐng)域取得重要研究進展，開發(fā)出了基于可食用摩擦電水凝膠傳感器網(wǎng)絡(luò)的嬰兒智能監(jiān)護系統(tǒng)。該研究首次采用可食用材質(zhì)制造壓強傳感器芯片，研發(fā)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、專屬深度學(xué)習(xí)算法和手機可視化程序。該成果以“Deep Learning Assisted Body Area Triboelectric Hydrogel Sensor Network for Infant Care”為題發(fā)表在國際頂級期刊《先進功能材料》（影響因子19.924）。太原理工大學(xué)教授張虎林與美國加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）助理教授陳俊為論文共同通訊作者，博士生郭瑞為論文第一作者。

全天候監(jiān)測嬰兒受力情況

處于爬行期的嬰幼兒需要監(jiān)護人持續(xù)陪伴，市面上開發(fā)的攝像頭跟蹤系統(tǒng)只能起到輔助效果，無法實時對嬰兒磕碰風(fēng)險進行監(jiān)測。

持續(xù)監(jiān)測嬰兒身體所承受的生物力學(xué)壓力對于避免嬰兒受傷至關(guān)重要。

2019年起，太原理工大學(xué)張虎林教授開始指導(dǎo)博士生研發(fā)了一種柔性可食用摩擦發(fā)電水凝膠傳感器，用來監(jiān)測嬰兒身體表面的生物力學(xué)壓力。“我們將傳感器附著在嬰兒衣物以及皮膚上，11個壓強傳感器分別覆蓋在胸部、手、膝蓋、腳、頸部、背部、手腕和臀部等重點部位。我們預(yù)先收集了特定運動模式的信號，例如翻身、抱嬰兒、拍背和鼓掌，并基于這些信號特征開發(fā)的深度學(xué)習(xí)算法，可以快速準(zhǔn)確識別嬰兒的運動模式”，張虎林介紹道?！懊總€柔性傳感器都具有23.1 dB的高信噪比、0.28 V kPa-1的高靈敏度和50 ms的快速響應(yīng)特性。”

傳感器發(fā)送脈沖信號的能量來源于摩擦電，信號的收集和發(fā)送同步自動完成，具有無源驅(qū)動、全天候監(jiān)測的特點。但是脈沖信號極易受到干擾，例如噪聲、衣物與皮膚的摩擦、監(jiān)護人的腳步聲等，會產(chǎn)生大量干擾信號。為了增強對復(fù)雜運動信號的精確識別能力，張虎林團隊通過深度學(xué)習(xí)算法分析施加的力和電輸出之間的耦合關(guān)系，解析嬰兒運動模式，估計嬰兒跌倒的風(fēng)險，實現(xiàn)對嬰兒特定運動模式近乎100%的準(zhǔn)確識別，有效避免了噪聲信號的干擾。

2012年，王中林院士首次發(fā)明了摩擦納米發(fā)電機，在納米尺度范圍內(nèi)將機械能轉(zhuǎn)化成電能，是世界上最小的發(fā)電機。作為王中林院士的聯(lián)合培養(yǎng)博士生，張虎林教授拓展了該領(lǐng)域在可穿戴衣物方面應(yīng)用場景。

嬰兒護理新策略

11個傳感器、多通道數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)、配套的深度學(xué)習(xí)算法以及手機App可視化程序……這套自供電的體域傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以直接貼合于皮膚或衣物，敏感單元可大可小，卻提供了全天候安全保障。

談及該成果最大的收獲，張虎林教授表示，傳感器采用一個夾層設(shè)計，包括明膠、瓊脂水凝膠和海藻，全部都是可食用材質(zhì)，這也是納米發(fā)電機領(lǐng)域內(nèi)開發(fā)出的首個可食用材質(zhì)傳感器。

最外層的明膠是傳統(tǒng)柔性摩擦發(fā)電材料的絕佳替代品，富含多羥基結(jié)構(gòu)，具有高負(fù)電子親和力、很強的附著力，可以很容易地附著在皮膚上。中間瓊脂水凝膠充當(dāng)電極層，海藻夾在瓊脂水凝膠和明膠之間，以保護明膠免受水的侵蝕。采用常見的食物來源從根本上消除嬰兒意外攝入的風(fēng)險和后果。這種柔性生物相容的傳感器具備了良好的黏附性、敏感性、生物相容性、堅固性和可食用性等五個性能指標(biāo)，非常適合用于嬰兒智能監(jiān)護。

光刻技術(shù)加工的傳感器可以做到直徑不到100微米，多通道數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)面積最小不足2平方厘米，可以很方便的縫在到衣服里。配套的深度學(xué)習(xí)算法對傳感器傳遞出的海量數(shù)據(jù)進行分析，沒有危險時不會有預(yù)警，如果傳感器上施加的壓力超過安全閾值，壓強曲線發(fā)生陡峭變化，App程序就可以提供實時預(yù)警和一鍵監(jiān)護互動。

無需外部供電、材質(zhì)安全可食用、即時報警等多重優(yōu)勢的傳感器網(wǎng)絡(luò)為物聯(lián)網(wǎng)時代可靠的嬰兒護理提供了有前途的策略。“下一步，壓力傳感器之外我們還可以增加溫度傳感器，11個通道也可以繼續(xù)增加拓展，手機可視化程序也可以進化，我們還將嘗試在老年人、失能人士的智能服裝上應(yīng)用該成果。”張虎林暢想了未來應(yīng)用場景。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1002/adfm.202204803

來源：中國科學(xué)報

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