統(tǒng)計(jì)表明，滑雪、拳擊、橄欖球等運(yùn)動(dòng)及生活意外，每年造成全球約4200萬人輕微腦震蕩。輕微腦震蕩通常不會(huì)導(dǎo)致器質(zhì)性病變，因此計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）及核磁共振成像（MRI）在診斷中起的作用有限，患者自我癥狀描述成為輕微腦震蕩診斷的主要信息來源。缺乏客觀評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和便攜式監(jiān)測(cè)技術(shù)，成為目前臨床輕微腦震蕩診治的主要障礙。

針對(duì)這一問題，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士、陳寶東研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種策略，通過3D打印的多角度納米發(fā)電機(jī)組成的柔性曲面?zhèn)鞲嘘嚵校瑢?shí)現(xiàn)對(duì)頭部撞擊的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在個(gè)性化醫(yī)療、智能運(yùn)動(dòng)和航空航天領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。近日，相關(guān)論文在《科學(xué)進(jìn)展》發(fā)表。

多角度納米發(fā)電機(jī)組成的柔性曲面?zhèn)鞲嘘嚵懈拍睢⒔Y(jié)構(gòu)和特性

自驅(qū)動(dòng)傳感陣列應(yīng)用示意圖

納米發(fā)電機(jī)展現(xiàn)傳感優(yōu)勢(shì)

輕微腦震蕩經(jīng)常發(fā)生，并可能給認(rèn)知、情感和身體帶來后遺癥。不同類型的撞擊對(duì)頭部的能量轉(zhuǎn)移，會(huì)使顱骨內(nèi)大腦發(fā)生剪切、壓縮、旋轉(zhuǎn)和撕裂，導(dǎo)致不同的腦震蕩。因此，客觀、精準(zhǔn)地評(píng)估腦震蕩程度和類型非常必要。

納米發(fā)電機(jī)利用摩擦、壓力的電效應(yīng)和靜電感應(yīng)的耦合工作，因此，從電路電效的變化中即可判斷其沖擊（摩擦）力的變化。納米發(fā)電機(jī)具有自驅(qū)動(dòng)傳感、高靈敏度和材料多樣性等特性，是靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力主動(dòng)監(jiān)測(cè)的理想選擇。

“在前期研究基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出可穿戴傳感陣列，用于頭部撞擊的位置追蹤和等級(jí)評(píng)估。”陳寶東告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“該陣列由32個(gè)摩擦納米發(fā)電機(jī)單元組成。與其他笨重且布線復(fù)雜的解決方案相比，該設(shè)備更輕、更靈活、更便攜。”

這種傳感陣列的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅有助于傳感器表現(xiàn)出最佳性能，而且能使摩擦納米發(fā)電機(jī)具備多角度運(yùn)動(dòng)能力。實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用摩擦納米發(fā)電機(jī)從不同方向收集機(jī)械能，并識(shí)別剪切力、旋轉(zhuǎn)力和壓縮力，經(jīng)過3萬次工作循環(huán)后，整體靈敏度僅下降2%。

“此外，該傳感器具有超高靈敏度和超寬壓力帶寬。”論文第一作者、中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所博士生俎璐璐解釋說，“超高靈敏度和超寬壓力帶寬是衡量傳感器感知能力和測(cè)試范圍的重要性能指標(biāo)。該柔性傳感陣列可以在0~200千帕的外部壓力（沖擊力）范圍內(nèi)正常工作，以電壓作為傳感信號(hào)時(shí)，能夠以平均0.214伏特/千帕的靈敏度精準(zhǔn)分辨壓力變化。”

研究人員利用6個(gè)傳感指標(biāo)（穩(wěn)定性、均勻性、線性度、重復(fù)性、靈敏度和遲滯性）評(píng)估該傳感陣列的整體性能，發(fā)現(xiàn)摩擦納米發(fā)電機(jī)可以在沒有外部電源的情況下將來自多個(gè)方向的力（壓縮、旋轉(zhuǎn)或剪切）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，響應(yīng)時(shí)間為30毫秒，最小分辨率為1.415千帕，在0~200千帕的寬范圍內(nèi)表現(xiàn)出出色的傳感能力。此外，該陣列還可以通過無線藍(lán)牙預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)頭部撞擊的可視化映射。在機(jī)器學(xué)習(xí)算法的輔助下，它還展示了對(duì)傷害等級(jí)的評(píng)估，準(zhǔn)確率達(dá)98%。

“這些數(shù)據(jù)優(yōu)于目前文獻(xiàn)報(bào)道的其他摩擦電和壓電的壓力傳感器。”陳寶東說，“通過收集標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，我們希望建立一個(gè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，以便未來深入研究頭部撞擊和輕微腦震蕩之間的直接和間接關(guān)系。”

3D打印拓展應(yīng)用空間

雖然納米發(fā)電機(jī)在傳感方面優(yōu)勢(shì)明顯，但作為一種新型傳感器，它仍然缺乏標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)工藝。而3D打印技術(shù)不僅使各種材料（如導(dǎo)體、半導(dǎo)體和生物材料）的傳感器標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)成為可能，而且能適應(yīng)不規(guī)則的身體結(jié)構(gòu)。具體而言，3D打印技術(shù)簡(jiǎn)化了納米發(fā)電機(jī)的加工環(huán)節(jié)、降低了成本，并將其一體化集成到各種應(yīng)用場(chǎng)景中。

研究人員將電極線制成柔性印刷電路板，并設(shè)置上下銅屏蔽層，以減少或最小化串?dāng)_影響。施加壓力后，預(yù)加載接觸點(diǎn)的陣列可以通過彩虹色圖形成字母“L”“X”和“N”的圖像。平面陣列壓力分布的成功演示，意味著距離實(shí)現(xiàn)曲面?zhèn)鞲械哪繕?biāo)又近了一步。

“頭部的復(fù)雜曲率決定了傳感裝置必須有精確的表面幾何形狀和穩(wěn)定性。因此，我們采用逆向工程，結(jié)合3D掃描創(chuàng)建頭部點(diǎn)云，打印出近似人的頭部輪廓且符合人體工程學(xué)的軟陣列。”陳寶東補(bǔ)充說，“3D打印為納米發(fā)電機(jī)的商業(yè)化提供了一條可行途徑，并在個(gè)性化醫(yī)療、智能運(yùn)動(dòng)和航空航天方面展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。”

智能體育和可穿戴醫(yī)療的機(jī)遇

為更精準(zhǔn)評(píng)估頭部撞擊程度，該團(tuán)隊(duì)使用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DCNN）分析識(shí)別多維、海量的數(shù)據(jù)。

“DCNN可以預(yù)測(cè)一個(gè)或多個(gè)響應(yīng)變量，在模型預(yù)測(cè)方面取得了成功。訓(xùn)練后的6倍交叉驗(yàn)證混淆矩陣和預(yù)測(cè)結(jié)果混淆矩陣表明，經(jīng)過訓(xùn)練的模型對(duì)傷害等級(jí)的分類準(zhǔn)確率達(dá)100%，對(duì)預(yù)測(cè)集的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)98%。”俎璐璐說。

基于此，該團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)由摩擦納米發(fā)電機(jī)傳感陣列、數(shù)據(jù)處理模塊和移動(dòng)終端組成的頭部撞擊遙感系統(tǒng)（HIRS）。此外，他們還增加了一個(gè)經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化的支撐結(jié)構(gòu)與摩擦納米發(fā)電機(jī)傳感陣列配合使用，以創(chuàng)建減少輕微腦震蕩影響的智能頭盔。結(jié)果表明，該頭部撞擊遙感系統(tǒng)能在臨床診斷輕微腦震蕩之前，快速查明損傷區(qū)域并提供準(zhǔn)確直觀的建議，有助于避免延誤診斷和治療。

“例如，在運(yùn)動(dòng)員受傷的情況下，教練和醫(yī)務(wù)人員可以通過該系統(tǒng)提供的結(jié)論來判斷是否需要終止比賽。”陳寶東說，“此外，全3D打印傳感器技術(shù)的突破，使該系統(tǒng)可以匹配各種結(jié)構(gòu)和不同場(chǎng)景下的壓力傳感設(shè)備。因此，這種摩擦納米發(fā)電機(jī)傳感陣列有望在智能體育和可穿戴醫(yī)療領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。”

相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1126/sciadv.adg5152