久坐不動、導致肩頸背痛？新型傳感器及關節運動檢測系統提醒定時動一動

也許你也試過久坐不動，只顧牢牢盯着電腦或手機，而弄得肩頸、腰酸背痛，一套能夠監測關節運動並提醒你定時運動、舒展一下的傳感器系統，或能有助維護你的關節健康。由香港城市大學（城大）科學家領導的一支研究團隊，早前就從剪紙結構取得靈感，研製出一種獨特的複合材料，並製成了新型傳感器，能區別關節的不同運動模式。團隊更以此建立出一套能監測頸椎和肩膊關節運動的系統，有助預防關節問題及協助病人復健。

這項研究由城大機械工程學系（MNE）的助理教授楊征保博士領導，研究結果已發表在科學期刊《科學進展》（《Science Advances》）上，題為〈Highly anisotropic and flexible piezoceramic kirigami for preventing joint disorders〉。

監測並同時區分關節運動信息

楊博士介紹說：「有別於傳統的可穿戴醫療保健傳感器，我們研發的剪紙結構壓電傳感器，能夠監測並同時區分關節運動的多種信息，包括彎曲方向、彎曲半徑和運動模式，而且運用單一個傳感器，已經具備以上所有功能。」

現時用於監測人體關節運動信號的可穿戴傳感器，大多都結構複雜，而且柔軟度不足，也未能全面紀錄關節的運動信息，令實際應用大受限制。楊博士與團隊受剪紙能將結構由牢固不能活動的模式轉化為可伸展模式的啟發，成功製備出一種具有二維蜂窩狀剪紙結構、可伸展的壓電陶瓷網絡（ceramic network）。團隊以該材料為核心傳感元件，結合特別設計，製成了新型傳感器。

傳感器以PET塑料薄膜為柔性基底，加入兩層柔性壓電複合材料，最表層則以具柔軟特性的PDMS（有機矽的一種）覆蓋，使它能緊貼在人體各關節的表面。

而所謂壓電效應（piezoelectricity）是指電介質材料中，機械能與電能互換的現象。當傳感器貼在皮膚上之後，會因為關節的運動而變形，並因為正壓電效應（direct piezoelectric effect​）而產生電子信號。而楊博士團隊取得技術突破，令他們研發的傳感器中，剪紙結構陶瓷網絡因變形而衍生出壓電各向異性（piezoelectric anisotropy），即電子信號會隨著不同動作方向衍生出的壓力而有所變化。由於信號出現壓電各向異性，於是就可以分辨出來自不同方向的負載壓力。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係。

_{視頻顯示上下兩層傳感器能感測到頸椎不同方向的運動，並產生不同的信號。（影片來源：DOI number: 10.1126/sciadv.abf0795）}

團隊將傳感器貼在人體頸部進行實驗，證實傳感器能從不同的關節運動，包括頸部左右扭動或者前後擺動之中，識別出四種變形模式，識別準確率超過 95%。團隊將傳感器貼在人體肩部再進行實驗，對關節動作識別的準確率亦超過95%。

_{頸椎和肩關節的運動監測及警報系統。（影片來源：DOI number: 10.1126/sciadv.abf0795）}

楊博士表示，他們研發的這種柔性壓電陶瓷複合材料，可以用於傳感器、致動器，甚至能量收集的裝置之中。他並強調，這款新型傳感器優點眾多，包括測量範圍較大；壓電各向異性較高、而且高度靈敏；具有多功能的測量能力和能用於長期監測；設計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，這種傳感器的製造方法，以及它在關節運動監測方面的應用，將有助促進柔性電子器件在健康監測設備中的發展，並有助關節疾病的預防和復康。

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

研究獲得城大、國家自然科學基金會和香港研究資助局的資助進行。

DOI number: 10.1126/sciadv.abf0795