可穿戴傳感器由于其靈活性和重量輕的特點，在醫(yī)療保健應用領域獲得了極大關注。然而，開發(fā)易于制造和保形性良好的魯棒性可穿戴傳感器仍然是一個挑戰(zhàn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，南洋理工大學（Nanyang Technological University）的科研人員合成了一種導電石墨烯納米板-碳納米管（GC）油墨，用于多射流熔融（MJF）打印。MJF的逐層制造工藝不僅提高了GC傳感器的力學性能和阻燃性能，而且提高了其魯棒性和靈敏度。此外，利用GC傳感器收集的阻力變化數(shù)據(jù)對支持向量機（SVM）進行訓練，其預測人體運動的準確率為95.83%。由于其穩(wěn)定的濕度敏感性，GC傳感器在監(jiān)測人體呼吸和預測呼吸模式（正常呼吸、快速呼吸和深呼吸）方面也表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，從而擴大了其在醫(yī)療保健領域的潛在應用。相關研究成果以“3D Printed Conformal Strain and Humidity Sensors for Human Motion Prediction and Health Monitoring via Machine Learning”為題發(fā)表在Advanced Science期刊上。

在這項研究工作中，科研人員使用石墨烯納米板（GNP）和碳納米管（CNT）制備了導電油墨。GNPs-CNTs（GC）油墨被用作MJF打印的助熔劑（FA），以制造多層應變和濕度傳感器。MJF打印機不僅可以調(diào)節(jié)沉積油墨的類型和位置，還可以根據(jù)樣品結構設計調(diào)整噴墨的劑量，從而生產(chǎn)出具有不同導電性能的材料。傳感器的逐層制造工藝不僅減少了導電填料的消耗，而且增強了印刷GC傳感器的機械強度。MJF打印的各種形狀的傳感器具有優(yōu)異的保形性，可用于運動預測和健康監(jiān)測目的。

GC傳感器的制造和應用

所制造的GC傳感器具有應變和彎曲靈敏度。GC傳感器的電阻隨著拉伸和向外彎曲而增加，但隨著向內(nèi)彎曲而減小。通過分析由于變形而產(chǎn)生的不同信號來監(jiān)測傳感器的形狀變化，并且可以根據(jù)這些信號來預測彎曲方向的變化。這些特征可用于監(jiān)測人體運動，如手腕、脖子、膝蓋和肘部的復雜關節(jié)運動。采用MJF打印技術制造的GC傳感器具有柔韌性、重量輕和可定制的特點，以實現(xiàn)與關節(jié)的最佳保形性。

所制造的GC傳感器的機電特性和人體運動監(jiān)測測試

科研人員開發(fā)了一種用于信號處理的多類支持向量機（SVM）分類器。利用傳感數(shù)據(jù)對其進行訓練，以自動確定人體運動。這項研究考慮了六種常見的運動（坐下、爬樓梯、蹲下、跑步、走路和跳躍）。原始電阻數(shù)據(jù)由附著在受試者膝蓋上的GC傳感器直接收集?；谔卣骶仃囉柧毮Ｐ?，實現(xiàn)了95.83%的高分類精度。

機器學習的工作機制及其潛在應用

通過利用MJF打印技術，科研人員制造了一種帶有集成傳感器過濾器的口罩，可以通過檢測呼吸引起的濕度變化來檢測呼吸模式的變化。集成傳感器由熱塑性聚氨酯（TPU）和GC交替層組成，其結構與應變傳感器相同，但具有不同的類似過濾器形狀。研究結果表明，使用MJF打印技術制造的GC/TPU復合材料可以作為一種可靠的濕度傳感器，在機器學習的幫助下精確預測呼吸模式。

GC傳感器的濕度敏感性和潛在應用

總而言之，科研人員開發(fā)了一種新型GC油墨，并利用MJF打印技術制造了一系列實用且可擴展的應變和濕度傳感器。這些傳感器表現(xiàn)出與人體關節(jié)的極好保形性和良好的機械性能，例如靈活性和魯棒性。從彎曲傳感器獲得的輸出數(shù)據(jù)對變形方向高度敏感，證明該傳感器非常適合監(jiān)測人體運動。多層彎曲傳感器能夠檢測手腕彎曲，并識別五種基本的緊急手勢信號，包括“走”、“停”、“右轉”、“左轉”和“有危險”。此外，從佩戴在膝蓋上的彎曲傳感器獲得的輸出信號被用于訓練SVM，以預測六種常見運動，包括行走、跑步、坐下、蹲下、跳躍和爬樓梯，其準確率為95.83%。機器學習和彎曲傳感器的集成在預測人類運動和實現(xiàn)及時救援措施方面具有巨大潛力。此外，該傳感器優(yōu)異的濕度靈敏度使其成為監(jiān)測人體呼吸的絕佳候選者。所制備GC傳感器提高的熱穩(wěn)定性和阻燃性，確保了其在消防救援中的安全應用。利用先進的GC油墨和快速MJF制造技術，有望賦予應變濕度傳感器靈活性、魯棒性和形狀記憶，從而在人類安全和醫(yī)療保健方面帶來重大有益影響。

審核編輯：劉清