永远不需要充电的可穿戴3D打印健身追踪器

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。"

△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。

△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。"

△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。

△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"。

相关论文链接：https://www.science.org/doi/10.1 ... cr_pub%20%200pubmed

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。