医疗和牙科

可穿戴3D打印健身追踪器无需充电

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研究人员亚利桑那大学的工程学院使用3D打印技术创造了一种智能健康监测设备,这种设备无需人工充电就能连续运行。

这款被发明者戏称为“生物共生”的追踪器通过一个功率投射装置收集电能,并对其集成天线进行无线充电。反过来,该设备利用这种能量来捕捉佩戴者在锻炼时产生的生物信号和能量,这是一个相互作用的过程,使其能够运行前所未有的时间。

使用3 d打印技术,团队也能够定制他们patch-like健康监控,保持连接到用户在运动,而其传感器监视使用者的生物与这样一个高水平的准确性,能够识别每个肌肉内的变形和计算采用的锻炼强度。

这篇论文的作者之一、该大学的助理教授菲利普·古特鲁夫(Philipp Gutruf)说:“外面没有这样的东西。”“我们引入了一个全新的概念,直接为用户定制设备,并使用无线电源铸造,让设备全天候运行,无需充电。”

工程师将3D打印传感器安装在二头肌上。
工程师们的3D打印设备可以定制,以监测人体周围的不同肌肉。照片来自《科学进展》杂志。

一个永久的健身追踪器?

可穿戴电子设备不仅对健身爱好者来说是有用的锻炼工具,而且如果经常佩戴,它们还可以收集足够的数据,以识别心律失常等致命疾病的早期预警信号。更重要的是,人工智能的进步正在使大量的生物数据得以快速处理,使得任何潜在的趋势和诊断都能比以往任何时候都更快地发现或做出。

然而,尽管最近分析取得了进展,亚利桑那团队表示,健身硬件发现很难跟上,他们指责目前的设备“缺乏传感功能”,并未能提供“不间断的数据流”。

为了解决这些缺点,研究人员已经开发出一种可穿戴使用无线电力传输技术,即利用远场的能量,将射频(RF)信号转化为电力的来源,在某种程度上,使它能够精确地捕获数据不断,他们说的是“几乎听不清穿的人。”

研究人员设置了“远场”传感器。
研究人员设置了“远场”传感器。照片来自《科学进展》杂志。

设计一个“生物共生装置”

该团队健康追踪器的核心是FDM 3D打印的“网格”,它可以定制,不需要粘合剂就可以粘在穿戴者身体的不同部位并对其进行操作。为了使他们的设备具有传感功能,该团队在柔性节点上嵌入了微型传感电子设备,并通过可伸缩的蛇形互连连接起来。

从理论上讲,这些装置通过天线与功率投射系统进行通信,为设备的主动收集电子设备提供燃料,并填充能量存储单元来激活传感器。在锻炼过程中收集的任何数据都可以通过追踪器集成的低能耗蓝牙(BLE)芯片系统传送到电脑,并分析潜在的健身趋势。

考虑到该设备的功率投射系统可以放置在几米远的地方,它可能是家庭使用的理想选择,这在许多现有的“远场”系统中是不可能的。更重要的是,该团队的可穿戴设备可以个性化,从特定的四肢和关节(如肩膀或二头肌)收集数据,使其能够以远远超过大多数普通追踪器的精度完成这一任务。

该论文的主要作者塔克·斯图尔特解释说:“如果你想测量你的二头肌在运动中变形的方式,我们可以在设备中放置一个传感器来实现这一点。”“由于我们制造设备并将其安装到身体上的方式,我们能够使用它来收集传统手腕上的可穿戴设备无法收集的数据。”

亚利桑那团队的FDM 3D打印过程在行动。
亚利桑那团队的FDM 3D打印过程在行动。Gif图片来自《科学进展》杂志。

健康跟踪在行动

为了将他们的生物共生设计付诸实践,研究人员首先用3D打印了一个测试模型Ninjatek弹性体,然后用手把电子设备插到位。使用一个Xbox研究团队发现,通过创建一个运动员专用的3D模型,并将其划分为“生理地标”,他们能够将原型机紧贴到测试对象的肌肉上。

为了测试目的,工程师们选择将他们的设备安装在模型的上臂和小腿区域,然后将其安装在相关志愿者身上,志愿者将其进行跑步、跳跃、划船以及俯卧撑实验。

在这些测试中,亚利桑那团队表示,他们的设备在产生“高保真数据流”的同时,展示了“稳定的生物界面”,通过同时部署多个设备,他们能够同时监测多个区域,包括温度变化和肌肉变形等方面,其性能超过了“目前的黄金标准设备”。

总的来说,尽管他们的设备一次只测试了48小时,工程师们相信这足以证明他们的方法的可行性。工程师们说,在未来,通过将微流控设计纳入他们的追踪器,它可能会有重要的临床应用,作为一种更长的监测病人生命体征的手段,并为医生提供增强的诊断数据。

一幅描绘团队运动测试结果的图表。
该队运动测试程序提供的一些结果的图表。图片来自《科学进展》杂志。

FDM打印的传感适用性

由于FDM 3D打印的可访问性和灵活性不断提高,该技术已成为一种广泛采用的低成本实验传感器的方法。和亚利桑那研究小组的设备很像Jeonbuk国立大学3D打印压电传感器不需要外部力量就能发挥作用,由人类运动提供动力。

一个小组韩国成均馆大学与此同时,3D打印可穿戴生物传感器是专门设计用于处理个性化监控应用程序的。研究人员的设备由柔性硅树脂弹性体和糖基支架组成,可以用作诊断工具,捕捉用户身体应变信号的变化。

在其他地方,科学家在雅典国立和卡波德兰大学,发展了一种“土星”葡萄糖监测系统它能够追踪糖尿病患者的血糖水平。使用传统的Flashforge创造者职业3D打印机和导电纤维,该设备可以作为一种侵入性更小的自我测试替代正常血糖仪。

研究人员的研究结果详细发表在题为《生物共生、个性化和数字化制造的无线设备,用于无限收集高保真的生物信号

该研究由塔克·斯图尔特、凯文·阿尔伯特·卡斯珀、伊夫楚库德·克里斯蒂安·伊维鲁莫尔、迪伦·托马斯·麦奎尔、罗伯托·佩拉尔塔、杰西卡·汉娜、梅根·约翰逊、马克斯·法利、托马斯·拉曼提亚、保罗·尤多维奇和菲利普·古特鲁夫共同撰写。

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特色图像显示工程师的3D打印传感设备连接在二头肌上。照片来自《科学进展》杂志。