永遠(yuǎn)不需要充電的可穿戴3D打印健身追蹤器

2021年10月12日，南極熊獲悉，亞利桑那大學(xué)工程學(xué)院的研究人員利用3D打印技術(shù)創(chuàng)造了一種智能健康監(jiān)測設(shè)備，它能夠連續(xù)運行而無需手動充電。

這件追蹤器被開發(fā)者稱為"生物共生設(shè)備"，它通過一個電源單元來收集電力，并為其集成天線無線充電。反之，設(shè)備利用這種電力來捕捉佩戴者在鍛煉時產(chǎn)生的生物信號和能量，在一個相互作用的過程中，它可以發(fā)揮出前所未有的作用。

利用3D打印技術(shù)，研究團(tuán)隊還定制了貼片式健身監(jiān)測器。監(jiān)測器在運動過程中保持與用戶的連接，傳感器以高的精確度監(jiān)測佩戴者的生物信號，從而能夠識別每塊肌肉的變形并計算出采用者的運動強(qiáng)度。

論文作者、該校助理教授菲利普-古特魯夫（Philipp Gutruf）說："目前還沒有這樣的產(chǎn)品。我們引入了一個全新的概念，即直接為一個人量身定制設(shè)備。憑借專門的無線電源，使設(shè)備能夠全天候運行，而不需要充電。"

△工程師們的3D打印傳感器連接在一個二頭肌上，設(shè)備可以被定制，以監(jiān)測人體周圍的不同肌肉。照片來自《科學(xué)進(jìn)展》雜志。

一個持久的健身追蹤器

可穿戴電子設(shè)備不僅是健身者有用的鍛煉工具，當(dāng)持續(xù)佩戴時，它們還可以收集足夠的數(shù)據(jù)來識別致命因素的早期預(yù)警信號，如心律失常。更重要的是，人工智能的進(jìn)步幫助大量的生物數(shù)據(jù)得到快速處理，使任何潛在的趨勢和診斷能夠比以往更快發(fā)現(xiàn)或做出。

然而，盡管最近取得了分析方面的進(jìn)展，亞利桑那州的團(tuán)隊卻表示現(xiàn)有的健身硬件已經(jīng)很難跟上。他們歸咎于目前的設(shè)備缺乏感應(yīng)功能，以及未能提供不間斷的數(shù)據(jù)流。

為了克服這些缺點，研究人員開發(fā)了一種可穿戴設(shè)備，它使用一種被稱為 "遠(yuǎn)場 "能量利用的無線電力傳輸技術(shù)，將射頻（RF）信號轉(zhuǎn)化為電力來源，這種方式使它能夠精確地連續(xù)捕獲數(shù)據(jù)，他們說穿戴者幾乎感覺不到它的存在。

△研究人員的 "遠(yuǎn)場 "傳感器裝置。照片來自《科學(xué)進(jìn)展》雜志。

生物共生裝置的設(shè)計

研究團(tuán)隊的健康追蹤器的核心是一個FDM 3D打印的 "網(wǎng)狀物"，它可以被定制為粘附在佩戴者身體的不同部位并進(jìn)行操作，而不需要粘合劑。為了使他們的設(shè)備具有傳感功能，該團(tuán)隊將微小的傳感電子裝置嵌入其中，這些裝置位于柔性節(jié)點上，并通過可伸展的蛇形互連線連接起來。

從理論上講，這些裝置通過天線與電力投射系統(tǒng)進(jìn)行通信，為裝置的主動收集電子裝置提供燃料，并填充激活傳感器的儲能電池。鍛煉期間收集的任何數(shù)據(jù)都可以通過追蹤器的集成藍(lán)牙低能量（BLE）片上系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)到計算機(jī)，并分析潛在的健身改進(jìn)方向。

鑒于該設(shè)備的電源投射系統(tǒng)可以放置在數(shù)米之外，它有可能是家庭使用的理想選擇，這一點是許多現(xiàn)有的 "遠(yuǎn)場 "系統(tǒng)所不能比擬的。更重要的是，這款穿戴設(shè)備可以被個性化定制，以收集特定肢體和關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù)，如肩部或二頭肌，使其能夠具備遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出大多數(shù)普通追蹤器的準(zhǔn)確度。

該論文的主要作者Tucker Stuart解釋說："如果你想測量你的二頭肌在運動中的變形方式，我們可以在設(shè)備中放置一個傳感器來完成這個任務(wù)。由于我們制造設(shè)備固定在身體上的方式，我們能夠用它來收集傳統(tǒng)的、安裝在手腕上的可穿戴設(shè)備無法收集的數(shù)據(jù)。"

△亞利桑那團(tuán)隊的FDM 3D打印工藝正在運行。圖片來自《科學(xué)進(jìn)展》雜志。

實時監(jiān)測健身數(shù)據(jù)

為了將他們的生物共生設(shè)計付諸實踐，研究人員最初用Ninjatek彈性材料3D打印了一個測試模型，然后用手將其電子元件插入到位。通過使用Xbox Kinect攝像頭，研究小組發(fā)現(xiàn)，他們能夠通過創(chuàng)建一個運動員專用的3D模型，并將其劃分為 "生理標(biāo)志"，使他們的原型能夠緊密地貼合測試對象的肌肉。

為了達(dá)到測試目的，工程師們選擇將他們的設(shè)備建立在模型的上臂和小腿區(qū)域，然后將其安裝在相關(guān)的志愿者身上，志愿者對其進(jìn)行跑步、跳躍和劃船以及俯臥撐實驗。

在這些測試中，亞利桑那州的團(tuán)隊說他們的設(shè)備展示了一個穩(wěn)定的生物界面，同時產(chǎn)生了高保真數(shù)據(jù)流，并且通過同時部署多個單元。他們能夠同時監(jiān)測各個區(qū)域，包括溫度變化和肌肉變形等方面，這種方式要優(yōu)于目前的黃金標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的性能。

總的來說，盡管他們的設(shè)備每次只測試了48小時，但工程師們認(rèn)為這足以證明他們方法的可行性。在未來，工程師們說只要將微流控設(shè)計納入他們的追蹤器，它可以有重大的臨床應(yīng)用，作為監(jiān)測病人生命體征的一種手段，并為醫(yī)生提供增強(qiáng)的診斷數(shù)據(jù)。

△描述團(tuán)隊運動測試項目所提供的一些結(jié)果的圖表。圖片來自《科學(xué)進(jìn)展》雜志。

FDM打印的傳感適用性  

由于FDM 3D打印的可及性和靈活性不斷提高，該技術(shù)已經(jīng)成為創(chuàng)建低成本實驗傳感器的一種廣泛采用的手段。與亞利桑那州團(tuán)隊的設(shè)備一樣，全北大學(xué)的研究人員也3D打印了壓電傳感器，這些傳感器不需要外部電源就能運作，由人體運動提供動力。

與此同時，Sungkyunkwan大學(xué)的一個團(tuán)隊也3D打印了他們自己的可穿戴生物傳感器，該傳感器是專門為解決個性化監(jiān)測應(yīng)用而設(shè)計的。研究人員的設(shè)備由靈活的硅樹脂彈性體和糖基支架組成，可以作為診斷工具使用，用于捕捉用戶不斷變化的身體應(yīng)變信號。

在其他地方，雅典國立和卡波迪斯特拉大學(xué)的科學(xué)家們開發(fā)了一個"電子環(huán)"血糖監(jiān)測系統(tǒng)，能夠跟蹤糖尿病患者的血糖水平。該設(shè)備使用傳統(tǒng)的FlashforgeCreator Pro 3D打印機(jī)和導(dǎo)電長絲制造，可以作為普通血糖儀的一個較少侵入性的自我測試替代品。

此項研究詳見他們的論文，題為："Biosymbiotic,personalized, and digitally manufactured wireless devices for indefinitecollection of high-fidelity biosignals"。

相關(guān)論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1 ... cr_pub%20%200pubmed

這項研究的共同作者是Tucker Stuart、Kevin Albert Kasper、Ifechukwude ChristianIwerunmor、Dylan Thomas McGuire、RobertoPeralta、Jessica Hanna、MeganJohnson、Max Farley、ThomasLamantia、Paul Udorvich 和Philipp Gutruf。