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新研究可以監(jiān)測(cè)和收集人體數(shù)據(jù) 提高運(yùn)動(dòng)質(zhì)量和進(jìn)行理療及健康恢復(fù)

2021-07-08 16:36:26 來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)

日新月異的科技推動(dòng)衣服功能不斷升級(jí)，從“保暖”到“美觀(guān)”，進(jìn)而邁入健康領(lǐng)域。

可穿戴設(shè)備能感知和監(jiān)測(cè)人體生理狀況，在連接互聯(lián)網(wǎng)，并與各類(lèi)軟件應(yīng)用相結(jié)合的情況下，除了在社交互動(dòng)、休閑娛樂(lè)、定位導(dǎo)航等方面大顯身手外，還在運(yùn)動(dòng)管理和健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮作用。

英國(guó)巴斯大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，將一種導(dǎo)電紗線(xiàn)嵌入衣服的特定部位，能精確地跟蹤身體運(yùn)動(dòng)。利用該技術(shù)，可以監(jiān)測(cè)和收集人體數(shù)據(jù)，幫助人們提高運(yùn)動(dòng)質(zhì)量、進(jìn)行理療和健康恢復(fù)。近日，相關(guān)研究在美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)《設(shè)計(jì)交互系統(tǒng)會(huì)議論文集》發(fā)布。

面臨“井噴期”

可穿戴設(shè)備即直接穿在身上，或整合到用戶(hù)的衣服、配件的一種便攜式設(shè)備。根據(jù)IDC數(shù)據(jù)，2020第三季度，全球可穿戴設(shè)備出貨量同比增長(zhǎng)35.1%，達(dá)到1.253億臺(tái)。在IDC的數(shù)據(jù)中，目前面世的可穿戴設(shè)備，包括智能手表、智能手環(huán)、耳戴設(shè)備、智能眼鏡（包括VR/AR頭顯）等。而在智能服裝、智能鞋等方面，目前成熟的技術(shù)和產(chǎn)品相對(duì)較少。

近年來(lái)，科學(xué)家一直在為制造便捷、靈敏的智能服裝紡織材料和傳感器而努力。

2018年，英國(guó)巴斯大學(xué)教授A(yíng)delina Ilie課題組設(shè)計(jì)并構(gòu)筑了一種非侵入式的血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，只需貼在手腕上，無(wú)需采血就能監(jiān)測(cè)血糖。

此后，澳大利亞迪肯大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)出一種應(yīng)變傳感紡織纖維。這種應(yīng)變傳感紡織纖維可用于生產(chǎn)專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)員的壓縮衣，用于比賽期間監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員的身體狀態(tài)，也可以在患者進(jìn)行身體康復(fù)訓(xùn)練時(shí)跟蹤和匯編數(shù)據(jù)。

2020年3月，美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程系的團(tuán)隊(duì)利用臨時(shí)紋身生物傳感器裝備了絲網(wǎng)打印的柔性電路，可與皮膚進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的直接接觸，并通過(guò)表皮傳感器對(duì)人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中汗液乳酸水平進(jìn)行了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)。

今年2月，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的工程師與一家初創(chuàng)公司合作，開(kāi)發(fā)了一種新型可穿戴式傳感芯片。該傳感芯片可貼在患者皮膚上，測(cè)量人體汗液中一種壓力激素的濃度，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)，幫助醫(yī)生了解和治療與壓力相關(guān)的疾病，如倦怠和肥胖。

此外，科學(xué)家還在開(kāi)發(fā)各類(lèi)可穿戴生物傳感器，通過(guò)無(wú)創(chuàng)方式測(cè)量體液中的生化標(biāo)志物（汗液、淚液、唾液和間質(zhì)液，以及體液中的代謝物、細(xì)菌及激素等）來(lái)反映生理狀態(tài)。

中研普華研究報(bào)告《2019—2025年中國(guó)可穿戴設(shè)備行業(yè)全景調(diào)研與投資趨勢(shì)預(yù)測(cè)報(bào)告》提到，可穿戴設(shè)備將為人們的生活、感知帶來(lái)很大的轉(zhuǎn)變。得益于可穿戴設(shè)備種類(lèi)的增加、產(chǎn)品技術(shù)的漸趨成熟、用戶(hù)體驗(yàn)的提升、價(jià)格的下降，以及各大廠(chǎng)商的積極投入研發(fā)，可穿戴設(shè)備的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入“井噴期”。

挖到“富礦”

“導(dǎo)電紗線(xiàn)在監(jiān)測(cè)人體活動(dòng)中有很多潛在的應(yīng)用。”前不久，在美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)的設(shè)計(jì)交互系統(tǒng)會(huì)議上，該論文第一作者、英國(guó)巴斯大學(xué)博士生Olivia Ruston說(shuō)，“比如，你想通過(guò)身體狀態(tài)的識(shí)別和分析提高運(yùn)動(dòng)水平，或者利用這些數(shù)據(jù)在患者進(jìn)行理療、康復(fù)和運(yùn)動(dòng)保健方面發(fā)揮作用。”

在該項(xiàng)研究中，科學(xué)家用一種混合金屬聚合物電阻材料作為導(dǎo)電芯，制成導(dǎo)電紗線(xiàn)，并將這種紗線(xiàn)嵌入衣服中特定位置。導(dǎo)電紗線(xiàn)的另一端連接到一個(gè)微控制器，并與計(jì)算機(jī)相連。這種導(dǎo)電紗線(xiàn)會(huì)在低電壓下被激活，當(dāng)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，衣物接縫處的張力發(fā)生變化，導(dǎo)電紗線(xiàn)能靈敏地捕捉到拉伸和壓力的變化。隨著拉伸和壓力變化，導(dǎo)電紗線(xiàn)的電阻、電壓也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化，從而被計(jì)算機(jī)記錄下來(lái)。

實(shí)驗(yàn)中，巴斯大學(xué)的研究人員對(duì)導(dǎo)電紗線(xiàn)在衣服中設(shè)置的位置和密度進(jìn)行了多次記錄和分析。他們發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)跟蹤智能服裝時(shí)，衣服接縫的位置以及添加的導(dǎo)電紗線(xiàn)數(shù)量是準(zhǔn)確捕捉人體信號(hào)的重要因素。

“開(kāi)發(fā)智能服裝有很大的潛力——很多人都在嘗試各種電子紡織品，但很多時(shí)候，技術(shù)專(zhuān)家和時(shí)裝設(shè)計(jì)師之間并沒(méi)有很好地相互溝通和理解，我們把這兩方面聯(lián)系起來(lái)，由此萌生了將新的傳感技術(shù)嵌入服裝的創(chuàng)意。”該論文作者之一、英國(guó)巴斯大學(xué)教授Mike Fraser說(shuō)，“我們分析了如何設(shè)計(jì)服裝的接縫來(lái)進(jìn)行身體運(yùn)動(dòng)的交互式感知，這為感知驅(qū)動(dòng)的服裝設(shè)計(jì)提供了啟示。隨著新型服裝功能的出現(xiàn)，智能紗線(xiàn)的布置將在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中發(fā)揮作用，并可能改變?nèi)藗儗?duì)時(shí)尚的看法。”

國(guó)外科技媒體Tech Xplore評(píng)價(jià)認(rèn)為，科學(xué)家挖到了人體可穿戴運(yùn)動(dòng)傳感器的豐富礦層。

“重要的是，這些導(dǎo)電紗線(xiàn)能夠?qū)κ直砗屯髱У攘餍薪∩碜粉櫰鳠o(wú)法捕捉到的細(xì)微動(dòng)作做出反應(yīng)。”Olivia Ruston在回復(fù)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者的郵件中說(shuō)。

進(jìn)入健康領(lǐng)域

“此類(lèi)技術(shù)可以用來(lái)監(jiān)測(cè)人在運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度、溫度、壓力、脈搏、心率等指標(biāo)，對(duì)未來(lái)智能服裝發(fā)展具有引導(dǎo)作用。”北京郵電大學(xué)人機(jī)交互與認(rèn)知工程實(shí)驗(yàn)室主任劉偉教授告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“但這項(xiàng)技術(shù)的測(cè)量精度從現(xiàn)有的材料難以判斷，其工程化程度也無(wú)法預(yù)測(cè)。”

在感知和采集人體數(shù)據(jù)方面，通常植入（侵入）式效果優(yōu)于接觸式，接觸式比非接觸式更準(zhǔn)確。

劉偉認(rèn)為，該技術(shù)的監(jiān)測(cè)精度取決于所使用傳感器的精度和抗干擾程度，因此“具有不確定性”。

盡管可穿戴設(shè)備在健康醫(yī)療應(yīng)用上前途無(wú)量，但在大規(guī)模商業(yè)化之前，還存在一些障礙，比如監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性差、便捷性不夠，測(cè)量的生物標(biāo)記物過(guò)少等問(wèn)題都亟待解決。

目前，可穿戴設(shè)備主要采用物理傳感器，用于監(jiān)測(cè)行動(dòng)能力和生命體征，如步數(shù)、熱量消耗或心率。隨著研究人員從跟蹤體育鍛煉活動(dòng)擴(kuò)展到關(guān)注解決醫(yī)療保健應(yīng)用，比如各種病管理或者老年人的遠(yuǎn)程監(jiān)控，可穿戴設(shè)備還需要進(jìn)行自我革新。

隨著無(wú)創(chuàng)取樣及監(jiān)測(cè)技術(shù)逐漸成熟，利用無(wú)創(chuàng)可穿戴生物傳感設(shè)備記錄人體數(shù)據(jù)，甚至替代常規(guī)的血液、汗液檢測(cè)越來(lái)越接近現(xiàn)實(shí)。人類(lèi)身體的絕大部分都為皮膚所覆蓋，因此，在各種穿戴式生物傳感器中，通過(guò)皮膚接觸的表皮可穿戴生物傳感器最受人關(guān)注。

“這些集成方式可以確保傳感器與皮膚緊密接觸，并能在身體運(yùn)動(dòng)時(shí)承受機(jī)械壓力，可以將身體運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而跟蹤和記錄身體活動(dòng)，例如，在健身和健康監(jiān)測(cè)中提高運(yùn)動(dòng)效率，應(yīng)用于預(yù)防傷害和疾病康復(fù)方面。”澳大利亞迪肯大學(xué)的Seyedin 博士說(shuō)，“而且這種方式可以自行穿戴，無(wú)需笨重的設(shè)備，沒(méi)有侵入性的創(chuàng)傷。”

“采用多種傳感方法對(duì)人體狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，可以提高傳感器的可靠性。”Olivia Ruston說(shuō)，“不同模式的可穿戴傳感器組合可以對(duì)人體生理狀況進(jìn)行更全面的監(jiān)測(cè)，因此有更廣的應(yīng)用。”

標(biāo)簽：監(jiān)測(cè) 人體數(shù)據(jù) 理療健康恢復(fù)