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可穿戴3D打印健身跟踪器无需充电

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研究人员在亚利桑那大学工程学院已经使用3D打印技术创建了一种智能健康监测设备,该设备能够连续运行,而无需手动充电。

这款被其创造者称为“生物共生”的追踪器通过一个功率投射装置收集电能,该装置对其集成天线进行无线充电。反过来,该设备利用这种能量捕捉佩戴者在运动时产生的生物信号和能量,这是一个相互作用的过程,使其能够在前所未有的时间内发挥作用。

使用3D打印技术,该团队还能够定制他们的贴片式健身监视器,以便在运动期间与用户保持连接,同时其传感器能够以如此高的精度监测佩戴者的生物信号,从而识别每一块肌肉内的变形,并计算使用者的训练强度。

该报作者、该大学助理教授菲利普·古特鲁夫(Philipp Gutruf)说:“世上没有这样的事。”。“我们引入了一个全新的概念,即直接为个人定制设备,并使用无线功率转换,使设备能够全天候运行,而无需充电。”

工程师的3D打印传感器连接在二头肌上。
工程师的3D打印设备可以定制,以监控人体周围的不同肌肉。照片通过科学进步杂志。

一个持久的健身追踪者?

可穿戴电子设备不仅是健身爱好者有用的锻炼工具,而且如果经常佩戴,它们可以收集足够的数据,以识别致命疾病(如心律失常)的早期预警信号。更重要的是,人工智能的进步越来越多地使大量的生物数据能够被快速处理,从而使任何潜在的趋势和诊断能够比以往更快地被发现或做出。

然而,尽管最近在分析方面取得了进展,亚利桑那州的研究小组表示,健身硬件很难跟上,他们指责目前的设备“缺乏感知功能”,并且无法提供“不间断的数据流”

为了克服这些缺点,研究人员开发了一种可穿戴设备,它使用一种称为“远场”能量利用的无线功率传输技术,将射频(RF)信号转换为电源,使其能够连续精确地捕获数据,他们说这是一种有效的方法“佩戴者几乎觉察不到。”

研究人员设置了“远场”传感器。
研究人员设置了“远场”传感器。照片来源于《科学进步》杂志。

设计“生物共生装置”

该团队健康跟踪器的核心是FDM 3D打印的“网眼布”,它可以定制为粘贴在佩戴者身体的不同部位并在不同部位进行操作,而不需要粘合剂。为了增强设备的传感功能,该团队将微型传感电子设备嵌入其中,这些电子设备位于柔性节点上,并通过可伸缩的蛇形互连连接起来。

理论上,它们通过天线与功率投射系统进行通信,天线为设备的有源采集电子设备提供燃料,并填充激活传感器的储能单元。在训练过程中收集的任何数据都可以通过跟踪器的集成蓝牙低能量(BLE)芯片系统传送到计算机,并分析潜在的健身趋势。

考虑到该设备的能量投射系统可以放置在几米之外,它可能是家庭使用的理想选择,这对于许多现有的“远场”系统来说是不可能的。此外,该团队的可穿戴设备可以个性化地从特定的四肢和关节(如肩部或二头肌)收集数据,使其能够完成以下任务:o精度远远超过大多数普通跟踪器。

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的变形方式,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连接到身体的方式,我们能够使用它来收集数据,而传统的、安装在手腕上的可穿戴设备无法收集数据。”

亚利桑那团队的FDM 3D打印流程正在运行。
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。

运动中的体能跟踪

为了将他们的生物共生设计付诸实践,研究人员最初用3D打印了一个来自实验室的测试模型Ninjatek弹性体,然后用手将其电子元件开槽到位。使用Xbox研究小组发现,通过创建运动员专用的3D模型,并将其划分为“生理标志”,他们能够缩放原型,使其紧贴受试者的肌肉

出于测试目的,工程师们选择将他们的装置放在模型的上臂和小腿区域,然后将其连接到相关志愿者身上,志愿者进行跑步、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”,通过同时部署多个单元,他们能够同时监控各个区域,包括温度变化和肌肉变形等方面,在某种程度上超越了“当前金标准设备”的性能

总的来说,尽管他们的设备一次只测试了48小时,但工程师们相信这足以证明他们的方法的可行性。未来,通过将微流控设计纳入他们的跟踪器,工程师们说,它可以有重要的临床应用,作为监测患者生命活动的一种手段并为医生提供增强的诊断数据。

描述该队运动测试结果的图表。
一张图表,描绘了该团队运动测试计划提供的一些结果。图片通过科学进步杂志。

FDM印刷的传感适用性

由于FDM 3D打印的可访问性和灵活性不断提高,该技术已成为制造低成本实验传感器的广泛采用手段。美国亚利桑那州的研究人员发现,这很像亚利桑那州研究小组的装置全布克国立大学也有三维印刷压电传感器它不需要外部动力就能工作,由人类运动提供动力。

球队成均馆大学与此同时,我们3D打印可穿戴生物传感器他们自己的,这是专门为解决个性化监控应用而设计的。研究人员的设备由柔性硅弹性体和糖基支架组成,可以用作诊断工具,捕捉用户不断变化的身体应变信号。

在其他地方,科学家在雅典大学,开发了“e-ring”血糖监测系统,能够跟踪糖尿病患者的血糖水平。使用传统的Flashforge Creator专业版3D打印机和导电灯丝,该设备可以作为普通血糖仪的一种侵入性较小的自我检测替代品。

研究人员的研究结果在他们题为“研究”的论文中有详细说明生物共生、个性化和数字制造的无线设备,用于无限期收集高保真生物信号.

这项研究由塔克·斯图尔特、凯文·阿尔伯特·卡斯珀、伊菲丘德·克里斯蒂安·伊韦恩莫尔、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·拉曼蒂亚、保罗·乌多维奇和菲利普·古特鲁夫合著。

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特色图片显示了工程师的3D打印传感装置连接在二头肌上。照片来源于《科学进步》杂志。

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