永远不需要充电的可穿戴3D打印健身追踪器

3D打印资讯
2021
10/12
22:24
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本帖最后由 warrior熊 于 2021-10-12 22:26 编辑

2021年10月12日,南极熊获悉,亚利桑那大学工程学院的研究人员利用3D打印技术创造了一种智能健康监测设备,它能够连续运行而无需手动充电。

这件追踪器被开发者称为"生物共生设备",它通过一个电源单元来收集电力,并为其集成天线无线充电。反之,设备利用这种电力来捕捉佩戴者在锻炼时产生的生物信号和能量,在一个相互作用的过程中,它可以发挥出前所未有的作用。

利用3D打印技术,研究团队还定制了贴片式健身监测器。监测器在运动过程中保持与用户的连接,传感器以高的精确度监测佩戴者的生物信号,从而能够识别每块肌肉的变形并计算出采用者的运动强度。

论文作者、该校助理教授菲利普-古特鲁夫(Philipp Gutruf)说:"目前还没有这样的产品。我们引入了一个全新的概念,即直接为一个人量身定制设备。凭借专门的无线电源,使设备能够全天候运行,而不需要充电。"

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工程师们的3D打印传感器连接在一个二头肌上,设备可以被定制,以监测人体周围的不同肌肉。照片来自《科学进展》杂志。

一个持久的健身追踪器

可穿戴电子设备不仅是健身者有用的锻炼工具,当持续佩戴时,它们还可以收集足够的数据来识别致命因素的早期预警信号,如心律失常。更重要的是,人工智能的进步帮助大量的生物数据得到快速处理,使任何潜在的趋势和诊断能够比以往更快发现或做出。

然而,尽管最近取得了分析方面的进展,亚利桑那州的团队却表示现有的健身硬件已经很难跟上。他们归咎于目前的设备缺乏感应功能,以及未能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,它使用一种被称为 "远场 "能量利用的无线电力传输技术,将射频(RF)信号转化为电力来源,这种方式使它能够精确地连续捕获数据,他们说穿戴者几乎感觉不到它的存在。

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研究人员的 "远场 "传感器装置。照片来自《科学进展》杂志。

生物共生装置的设计

研究团队的健康追踪器的核心是一个FDM 3D打印的 "网状物",它可以被定制为粘附在佩戴者身体的不同部位并进行操作,而不需要粘合剂。为了使他们的设备具有传感功能,该团队将微小的传感电子装置嵌入其中,这些装置位于柔性节点上,并通过可伸展的蛇形互连线连接起来。

从理论上讲,这些装置通过天线与电力投射系统进行通信,为装置的主动收集电子装置提供燃料,并填充激活传感器的储能电池。锻炼期间收集的任何数据都可以通过追踪器的集成蓝牙低能量(BLE)片上系统转发到计算机,并分析潜在的健身改进方向。

鉴于该设备的电源投射系统可以放置在数米之外,它有可能是家庭使用的理想选择,这一点是许多现有的 "远场 "系统所不能比拟的。更重要的是,这款穿戴设备可以被个性化定制,以收集特定肢体和关节的数据,如肩部或二头肌,使其能够具备远远超出大多数普通追踪器的准确度。

该论文的主要作者Tucker Stuart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完成这个任务。由于我们制造设备固定在身体上的方式,我们能够用它来收集传统的、安装在手腕上的可穿戴设备无法收集的数据。"

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亚利桑那团队的FDM 3D打印工艺正在运行。图片来自《科学进展》杂志。

实时监测健身数据

为了将他们的生物共生设计付诸实践,研究人员最初用Ninjatek弹性材料3D打印了一个测试模型,然后用手将其电子元件插入到位。通过使用Xbox Kinect摄像头,研究小组发现,他们能够通过创建一个运动员专用的3D模型,并将其划分为 "生理标志",使他们的原型能够紧密地贴合测试对象的肌肉。

为了达到测试目的,工程师们选择将他们的设备建立在模型的上臂和小腿区域,然后将其安装在相关的志愿者身上,志愿者对其进行跑步、跳跃和划船以及俯卧撑实验。

在这些测试中,亚利桑那州的团队说他们的设备展示了一个稳定的生物界面,同时产生了高保真数据流,并且通过同时部署多个单元。他们能够同时监测各个区域,包括温度变化和肌肉变形等方面,这种方式要优于目前的黄金标准设备的性能。

总的来说,尽管他们的设备每次只测试了48小时,但工程师们认为这足以证明他们方法的可行性。在未来,工程师们说只要将微流控设计纳入他们的追踪器,它可以有重大的临床应用,作为监测病人生命体征的一种手段,并为医生提供增强的诊断数据。

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描述团队运动测试项目所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打印的可及性和灵活性不断提高,该技术已经成为创建低成本实验传感器的一种广泛采用的手段。与亚利桑那州团队的设备一样,全北大学的研究人员也3D打印了压电传感器,这些传感器不需要外部电源就能运作,由人体运动提供动力。

与此同时,Sungkyunkwan大学的一个团队也3D打印了他们自己的可穿戴生物传感器,该传感器是专门为解决个性化监测应用而设计的。研究人员的设备由灵活的硅树脂弹性体和糖基支架组成,可以作为诊断工具使用,用于捕捉用户不断变化的身体应变信号。

在其他地方,雅典国立和卡波迪斯特拉大学的科学家们开发了一个"电子环"血糖监测系统,能够跟踪糖尿病患者的血糖水平。该设备使用传统的FlashforgeCreator Pro 3D打印机和导电长丝制造,可以作为普通血糖仪的一个较少侵入性的自我测试替代品。

此项研究详见他们的论文,题为:"Biosymbiotic,personalized, and digitally manufactured wireless devices for indefinitecollection of high-fidelity biosignals"。

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


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