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2025年9月24-26日 | 上海世博展览馆1&2号馆

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国际医疗器械展览会柔性可穿戴设备设计分享

2024-03-06

随着 5G 时代的到来,可穿戴织物正朝着兼容人工智能(AI)、物联网(loT)、多级云和大数据的智能设备方向发展,以提供更好的人机交互体验。理想的智能织物需要多种技术支持:多功能信号识别传感器、多层次云支持的快速数据分析以及终端智能系统的信息反馈。柔性可穿戴设备是一种创新性的科技产品,采用柔软、轻便的材料设计,可贴合人体曲线,提供舒适的佩戴体验。这类设备通常集成了各种传感器、电池和连接技术,能够实现生物参数监测、运动追踪、通信和其他智能功能。其柔性设计使其适用于多种用途,如健康监测、智能手表、智能衣物等,同时能够在不妨碍日常活动的情况下持续提供个性化的数据反馈,推动了可穿戴技术的发展。

国际医疗器械展览会Medtec China了解到柔性可穿戴设备与传统设备的区别在于其采用柔软材料制成,能更好地贴合人体形态,成为一种创新的人机接口。相对于传统的硬质设备如键盘,柔性可穿戴设备如可穿戴手套采用柔软材质,能更好地贴合人手,通过采集手指弯曲等动作来输入信息。在“锻炼培训”领域的应用中,这些设备如可穿戴电子皮肤与语音信号采集器,通过精确采集人体信息,将其传输至电脑等电子设备进行分析,以达到研究结论或机器模仿的目的。这种技术结合了硬件与软件,实现了信息的双向传递,为“锻炼培训”领域提供了更为灵活、精准的工具。

传统设备与柔性可穿戴设备

用于交互的电子皮肤
用于交互的电子皮肤产品能够实现与人体紧密贴合,从而更精确、稳定地采集人体数据。其中包括可穿戴肌电信号采集器,采用超薄透明纳米材料、压电聚合物柔性基底等创新材料制成,具有卓越的柔韧性和透明度。这种设备能够高效地采集人体肌电信号,将其传递给处理终端进行进一步分析。通过与人体皮肤的贴合,这类电子皮肤产品不仅能够提供更为舒适的佩戴体验,还为交互式技术的发展提供了先进的硬件支持。这些产品在医疗、运动监测和虚拟现实等领域具有广泛的应用潜力。
电子皮肤是一种运用柔性电子技术,结合了电子学、生物学、材料学等多学科原理,研制而成的电磁检测装置。作为人体最大的器官,皮肤具有阻挡病菌和感知外界温度的功能。电子皮肤的结构简单,可加工成多种形状,类似衣物一样附着在设备表面。这种创新技术使得机器人能够感知物体的位置、方位和硬度等信息。
电子皮肤的构成材料多种多样,包括量子隧道复合材料(QCT)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅胶等。例如,日本发明的电子皮肤采用橡胶、导电石墨和新型晶体管组成。全球各国正在积极研发电子皮肤技术,不同的构成材料和设计结构为其在多个领域的应用提供了广泛的可能性。电子皮肤的推出标志着一种创新的感知技术,有望在机器人、医疗设备和智能科技等领域发挥重要作用。
国际医疗器械展览会 Medtec  China 同期举办ADTE高端有源医疗装备技术展,展示品类涵盖芯片传感,集成电路,连接器线束,电源电机,软件配套,AI,5G智慧医疗,影像设备核心组件,光学组件,内窥镜部件,激光器,成像解决方案等。目前已确认的参展品牌:海康慧影,雷莫,夸迈,欧卓斯,环球特科,为实光电,嘉恒中自 ,远讯光电,毕科电子,庆泰线缆,程业五金,雨菲电子,高拓,踢踢,永征,三平影像等。目前展区仍有少量席位,点击立刻享早鸟价。

1.感觉和触觉:

人类的皮肤是一种精妙而复杂的生物组织,具备敏锐的感知能力。它能够迅速、准确地感知外界的各种刺激,并通过神经系统将这些信息传递至大脑,使大脑能够精确地辨别刺激的位置、性质以及强度等。电子皮肤通过采用“岛桥结构”,在其表面密布了大量的压力传感器和温度传感器,从而实现了感知压力和触觉的能力。这种技术让电子设备得以模拟人体皮肤的感知机制,使其具备对外部刺激的敏感性,为人机交互、虚拟现实等领域提供了更加细致和真实的触感体验。
2.柔软性:

电子皮肤采用的大部分材料都是可拉伸的柔性材料,然而,一些金属和半导体材料在电子设备中仍然不可或缺。为了解决这一挑战,科学家们采用了力学结构的设计,实现了电子皮肤的柔性特性。其中,一种常见的设计被称为“岛桥结构”,其岛上包含许多功能元器件,将一些传感器紧凑地集成在这个岛上,从而实现了电子皮肤的柔软性。这一设计通过在柔性基底上引入硬质功能区域,既保持了柔性,又确保了电子元件的性能和稳定性,为电子皮肤在不同应用场景中的灵活运用提供了可能。
3.透明性

电子皮肤采用了无毒且生物相容性良好的超薄铁电柔性聚合物材料,该材料具有高透明度,因此能够很好地与人体皮肤融为一体,便于构建成可穿戴器件。与此同时,铁电聚合物具备独立工作的能力,无需外加电压,有效解决了现有技术中工作电压高、功耗大的问题。这种设计不仅提高了电子皮肤的生物相容性,还降低了其对外部电源的依赖,为其在医疗、健康监测等领域的应用提供了更为可靠和便捷的解决方案。
4.自愈性

科学家们正在研究一种具有自愈能力的高分子材料,使其在一定条件下能够恢复原有的功能和形状。在2019年,清华大学的一个科学实验室成功研发了一款可自愈的高分子材料,其主要成分由丝素蛋白和石墨烯构造而成。这种材料在遭受划伤后,只需滴加一滴水,就能够迅速实现自我修复,呈现出令人惊奇的神奇效果。这一发现为未来在材料科学、医学等领域提供了潜在的应用前景,为开发更具韧性和耐用性的材料打开了新的可能性。
5.电子皮肤的用途和领域

人体深度发展领域:电子皮肤在人体应用领域具有广泛的应用潜力,能够帮助人体感受一些极微弱的信号,例如光和声音等。通过结合到人体,电子皮肤可以扩展人的感知范围,提供对环境变化的实时反馈,为增强人体感知和交互提供新的可能性。

医疗健康领域:电子皮肤在医疗健康领域已经取得了初步应用。它被广泛用于心电监测、体温监测等医疗应用中。此外,电子皮肤也显示出在伤口愈合和康复方面的巨大潜力,可用于监测烧伤和割伤的康复过程。对于残疾人员而言,电子皮肤也可以作为一种辅助技术,帮助他们恢复身体机能,尤其在代替义肢方面具有良好的发展前景。这些应用有望改善医疗保健的效率和效果,提高患者的生活质量。

智能机器人(AI)领域:尽管智能机器人在视觉和听觉等功能上已经取得了显著进展,但机器人的皮肤往往是研发中容易被忽视的部分。传统的机器人外部覆盖着笨重的”盔甲”,难以实现多方向触觉的三维力检测,也难以感知拿取物体时所需的力量差异。电子皮肤具备良好的压敏特性和柔韧性,可以有效解决机器人设计中的难题。它不仅能够帮助机器人敏感地感知环境信息,还赋予了机器人更强的机械灵活性。通过电子皮肤的应用,智能机器人可以更准确地感知外部环境,更灵活地执行各种任务,从而在人机交互和物体操作等方面取得更大的突破。这一技术的推广应用将为智能机器人领域带来新的发展机遇。

可穿戴设备领域:与传统的坚硬电子产品相比,电子皮肤是一种柔性的电子产品,具有随着人体运动而灵活移动的特性。对于可穿戴设备,电子皮肤的应用前景广阔,它能够很好地贴合在皮肤上,使得设备更为舒适,更灵敏,更准确地检测信息。苏业旺教授指出,当电子皮肤的功能不断强大,实用性不断提高时,它有可能取代目前的一些电子产品,如手机和手表等。电子皮肤的柔性和与人体的天然结合,使得可穿戴设备更符合人体工程学,能够更好地适应日常生活和各种运动场景。这种创新性的技术有望为可穿戴技术带来新的突破,推动未来可穿戴设备的发展。

语音信号采集器

国际医疗器械展览会 Medtec  China了解到随着人机互动和物联网技术的迅速兴起,对于开发机械灵活、神奇的可穿戴功能化传感器的需求越来越迫切。在这一背景下,新材料和新设备的涌现对技术的设计和发展至关重要。石墨烯作为一种具有原子级厚度、机械灵活性、轻质、高导电性和透明度的材料,特别引人注目。其独特的大比表面积使其对外部刺激的感知具有高度灵敏度,因此有望广泛应用于柔性传感器技术,为可穿戴设备的发展提供了强大支持。

清华大学的研发团队首次成功将石墨烯应用于可穿戴智能人工喉设备,创造了一枚硬币大小的“石墨烯人工喉”,为语言障碍者提供了一种重获新声的创新解决方案。石墨烯具有对低频肌肉运动、中频食管振动和高频声波信息的高度敏感性,同时还具备抗噪声的语音感知能力。清华大学集成电路学院教授任天令团队研发的石墨烯智能人工喉不仅能够通过热声效应发出一定频率的声音,还能够辨别用户的不同动作,如低吟、尖叫、咳嗽、吞咽、点头等,并将这些“无含义声音”转换为频率和强度可控的有意义声音。经过数次升级的新一代石墨烯人工喉成功识别了一名喉切除术患者模糊说出的日常词汇,准确率超过90%,基本恢复了患者的语言交流能力。此外,通过训练,有望实现更高级的语言表达,如“吟诗作唱”,代表了一种崭新的智能芯片系统,为人机交互带来了新的可能性。

柔性神经拟态触觉感知系统

斯坦福大学的鲍哲楠教授、首尔大学的Tae-Woo Lee教授以及南开大学的徐文涛教授领导的团队联合发表的研究论文介绍了一种基于柔性有机电子器件的高灵敏度仿生触觉神经系统。这一人工神经触觉系统具备生物兼容性良好、柔性、高灵敏度等特点,具有在机器人手术、义肢感触等领域的广泛应用前景。这项研究为仿生触觉技术的发展提供了有力支持,有望在医疗和机器人领域取得重要突破。

中美韩三国科学家在实验中成功利用柔性有机材料制造出类似人体SA-I触觉神经的人造感知神经。这一人造神经系统包括电阻式压力传感器、有机环形振荡器和突触晶体管三个核心部件。系统通过一系列感受器感知微小压力变化并产生相应电压变化,通过环形振荡器将电压变化转化为电脉冲信号。多个环形振荡器得到的电信号通过突触晶体管集成为突触电流,从而传递到下一级神经。这种人造神经成功模拟了人类皮肤触觉功能,与生物体神经信号兼容,创造性地制造出柔性人造感知神经,并在与动物神经形成的杂化反射弧中取得了初步成功。该技术有望在医疗和机器人领域带来重要的创新应用。

文章来源: 暴走的菠萝蜜

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