也許你也試過(guò)久坐不動(dòng)，只顧牢牢盯著電腦或手機(jī)，而弄得肩頸、腰酸背痛，一套能夠監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)并提醒你定時(shí)運(yùn)動(dòng)、舒展一下的傳感器系統(tǒng)，或能有助維護(hù)你的關(guān)節(jié)健康。由香港城市大學(xué)（城大）科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一支研究團(tuán)隊(duì)，早前就從剪紙結(jié)構(gòu)取得靈感，研制出一種獨(dú)特的復(fù)合材料，并制成了新型傳感器，能區(qū)別關(guān)節(jié)的不同運(yùn)動(dòng)模式。團(tuán)隊(duì)更以此建立出一套能監(jiān)測(cè)頸椎和肩膊關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，有助預(yù)防關(guān)節(jié)問(wèn)題及協(xié)助病人復(fù)健。

這項(xiàng)研究由城大機(jī)械工程學(xué)系（MNE）的助理教授楊征保博士領(lǐng)導(dǎo)，研究結(jié)果已發(fā)表在科學(xué)期刊《科學(xué)進(jìn)展》（《Science Advances》）上，題為〈Highly anisotropic and flexible piezoceramic kirigami for preventing joint disorders〉。

監(jiān)測(cè)并同時(shí)區(qū)分關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息

楊博士介紹說(shuō)：“有別于傳統(tǒng)的可穿戴醫(yī)療保健傳感器，我們研發(fā)的剪紙結(jié)構(gòu)壓電傳感器，能夠監(jiān)測(cè)并同時(shí)區(qū)分關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的多種信息，包括彎曲方向、彎曲半徑和運(yùn)動(dòng)模式，而且運(yùn)用單一個(gè)傳感器，已經(jīng)具備以上所有功能。”

現(xiàn)時(shí)用于監(jiān)測(cè)人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信號(hào)的可穿戴傳感器，大多都結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且柔軟度不足，也未能全面紀(jì)錄關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)信息，令實(shí)際應(yīng)用大受限制。楊博士與團(tuán)隊(duì)受剪紙能將結(jié)構(gòu)由固定的模式轉(zhuǎn)化為可伸展模式的啟發(fā)，成功制備出一種具有二維蜂窩狀剪紙結(jié)構(gòu)、可伸展的壓電陶瓷網(wǎng)絡(luò)（ceramic network）。團(tuán)隊(duì)以該材料為核心傳感元件，結(jié)合特別設(shè)計(jì)，制成了新型傳感器。

傳感器以PET塑料薄膜為柔性基底，加入兩層柔性壓電復(fù)合材料，最表層則以具柔軟特性的PDMS（有機(jī)硅的一種）覆蓋，使它能緊貼在人體各關(guān)節(jié)的表面。

而所謂壓電效應(yīng)（piezoelectricity）是指電介質(zhì)材料中，機(jī)械能與電能互換的現(xiàn)象。當(dāng)傳感器貼在皮膚上之后，會(huì)因?yàn)殛P(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)而變形，并因?yàn)檎龎弘娦?yīng)（direct piezoelectric effect）而產(chǎn)生電子信號(hào)；而傳感器中剪紙結(jié)構(gòu)陶瓷網(wǎng)絡(luò)的變形，會(huì)衍生壓電各向異性（piezoelectric anisotropy），即電子信號(hào)會(huì)隨著方向的改變而有所變化。本來(lái)于正壓電效應(yīng)之下，由不同方向所測(cè)得的數(shù)值應(yīng)是相同的，然而團(tuán)隊(duì)在此取得技術(shù)突破，令信號(hào)出現(xiàn)壓電各向異性，于是就可以分辨出來(lái)自不同方向的負(fù)載壓力。研究人員因此研究出不同彎曲方向和彎曲幅度與電壓輸出之間的關(guān)系。

_{視頻顯示上下兩層傳感器能感測(cè)到頸椎不同方向的運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生不同的信號(hào)。（影片來(lái)源：DOI number: 10.1126/sciadv.abf0795）}

團(tuán)隊(duì)將傳感器貼在人體頸部進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證實(shí)傳感器能從不同的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，包括頸部左右扭動(dòng)或者前后擺動(dòng)之中，識(shí)別出四種變形模式，識(shí)別準(zhǔn)確率超過(guò) 95%。團(tuán)隊(duì)將傳感器貼在人體肩部再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)關(guān)節(jié)動(dòng)作識(shí)別的準(zhǔn)確率亦超過(guò)95%。

 

_{頸椎和肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)及警報(bào)系統(tǒng)。（影片來(lái)源：DOI number: 10.1126/sciadv.abf0795）}

楊博士表示，他們研發(fā)的這種柔性壓電陶瓷復(fù)合材料，可以用于傳感器、致動(dòng)器，甚至能量收集的裝置之中。他并強(qiáng)調(diào)，這款新型傳感器優(yōu)點(diǎn)眾多，包括測(cè)量范圍較大；壓電各向異性較高、而且高度靈敏；具有多功能的測(cè)量能力和能用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)；設(shè)計(jì)理念亦為目前新興的可拉伸、多功能壓電器件提供了新的解決方案。

楊博士相信，這種傳感器的制造方法，以及它在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用，將有助促進(jìn)柔性電子器件在健康監(jiān)測(cè)設(shè)備中的發(fā)展，并有助關(guān)節(jié)疾病的預(yù)防和復(fù)康。

楊博士是這篇論文的通訊作者。第一作者包括來(lái)自城大MNE的博士生洪穎和王標(biāo)。來(lái)自同一學(xué)系的林偉康、金立涵、劉世源和來(lái)自城大建筑學(xué)及土木工程學(xué)系的副教授駱曉偉博士，亦有參與該研究。其他共同作者來(lái)自香港大學(xué)。

研究獲得城大、國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)和香港研究資助局的資助進(jìn)行。

DOI number: 10.1126/sciadv.abf0795

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