久坐不动、导致肩颈背痛？新型传感器及关节运动检测系统提你定时动一动

也许你也试过久坐不动，只顾牢牢盯着电脑或手机，而弄得肩颈、腰酸背痛，一套能够监测关节运动并提醒你定时运动、舒展一下的传感器系统，或能有助维护你的关节健康。由香港城市大学（城大）科学家领导的一支研究团队，早前就从剪纸结构取得灵感，研制出一种独特的复合材料，并制成了新型传感器，能区别关节的不同运动模式。团队更以此建立出一套能监测颈椎和肩膊关节运动的系统，有助预防关节问题及协助病人复健。

这项研究由城大机械工程学系（MNE）的助理教授杨征保博士领导，研究结果已发表在科学期刊《科学进展》（《Science Advances》）上，题为〈Highly anisotropic and flexible piezoceramic kirigami for preventing joint disorders〉。

监测并同时区分关节运动信息

杨博士介绍说：“有别于传统的可穿戴医疗保健传感器，我们研发的剪纸结构压电传感器，能够监测并同时区分关节运动的多种信息，包括弯曲方向、弯曲半径和运动模式，而且运用单一个传感器，已经具备以上所有功能。”

现时用于监测人体关节运动信号的可穿戴传感器，大多都结构复杂，而且柔软度不足，也未能全面纪录关节的运动信息，令实际应用大受限制。杨博士与团队受剪纸能将结构由固定的模式转化为可伸展模式的启发，成功制备出一种具有二维蜂窝状剪纸结构、可伸展的压电陶瓷网络（ceramic network）。团队以该材料为核心传感元件，结合特别设计，制成了新型传感器。

传感器以PET塑料薄膜为柔性基底，加入两层柔性压电复合材料，最表层则以具柔软特性的PDMS（有机硅的一种）覆盖，使它能紧贴在人体各关节的表面。

而所谓压电效应（piezoelectricity）是指电介质材料中，机械能与电能互换的现象。当传感器贴在皮肤上之后，会因为关节的运动而变形，并因为正压电效应（direct piezoelectric effect）而产生电子信号；而传感器中剪纸结构陶瓷网络的变形，会衍生压电各向异性（piezoelectric anisotropy），即电子信号会随着方向的改变而有所变化。本来于正压电效应之下，由不同方向所测得的数值应是相同的，然而团队在此取得技术突破，令信号出现压电各向异性，于是就可以分辨出来自不同方向的负载压力。研究人员因此研究出不同弯曲方向和弯曲幅度与电压输出之间的关系。

_{视频显示上下两层传感器能感测到颈椎不同方向的运动，并产生不同的信号。（影片来源：DOI number: 10.1126/sciadv.abf0795）}

团队将传感器贴在人体颈部进行实验，证实传感器能从不同的关节运动，包括颈部左右扭动或者前后摆动之中，识别出四种变形模式，识别准确率超过 95%。团队将传感器贴在人体肩部再进行实验，对关节动作识别的准确率亦超过95%。

 

_{颈椎和肩关节的运动监测及警报系统。（影片来源：DOI number: 10.1126/sciadv.abf0795）}

杨博士表示，他们研发的这种柔性压电陶瓷复合材料，可以用于传感器、致动器，甚至能量收集的装置之中。他并强调，这款新型传感器优点众多，包括测量范围较大；压电各向异性较高、而且高度灵敏；具有多功能的测量能力和能用于长期监测；设计理念亦为目前新兴的可拉伸、多功能压电器件提供了新的解决方案。

杨博士相信，这种传感器的制造方法，以及它在关节运动监测方面的应用，将有助促进柔性电子器件在健康监测设备中的发展，并有助关节疾病的预防和复康。

杨博士是这篇论文的通讯作者。第一作者包括来自城大MNE的博士生洪颖和王标。来自同一学系的林伟康、金立涵、刘世源和来自城大建筑学及土木工程学系的副教授骆晓伟博士，亦有参与该研究。其他共同作者来自香港大学。

研究获得城大、国家自然科学基金会和香港研究资助局的资助进行。

DOI number: 10.1126/sciadv.abf0795

本文于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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