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医疗技术

光纤捕捉人体运动 我国科学家首创

来源:环球医学编写    时间:2017年10月16日    点击数:    5星

近年来可穿戴传感器的应用引发巨大研究和商业投资。附着于人体或整合到衣服的传感器能让运动员和理疗师监测进展、为电脑游戏或动画提供更详细的动作捕捉、帮助工程师制造触感更灵敏的机器人或成为新型实时健康监测器的基础。

清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室的Changxi Yang牵头的研究小组在《Optica》发文,展示了首个光导纤维,其足够强力,可感应大范围的人体运动。

不像现在使用的纤维传感器,新型纤维敏感且有弹性,可检测关节运动。Yang说,新技术为测量非常大的变形提供了光纤方式。其可穿戴、可安装,也具备光纤的内在优势,如固有的电安全性和免受电磁干扰。

光纤用于桥梁和建筑的应变传感已有多年。传统光纤不是人体应变传感的最佳选择,因为它们通常是塑料或玻璃制成的,坚硬,弯曲不好。比如硅氧玻璃纤维,最大应变小于1%,而弯曲的手指应变超过30%。

研究者开始寻找能承受人体运动弯曲和拉伸量的纤维,首先尝试了水凝胶。但水凝胶主要由水组成,因此仅在潮湿环境中工作。暴露于空气时,其很快变干和收缩。

第二次尝试中,Yang和他的学生Jingjing Guo和Mengxuan Niu开发了硅酮(名为聚二甲硅氧烷[PDMS]的柔软的聚合物)制成的纤维。他们把液体硅酮放进管形的模子里,加热到80° C(176° F),持续40分钟,使其变厚,然后使用水压从模子一端推出薄纤维。他们用得到的纤维进行一系列详细的测试,如反复拉伸至2倍长度。500次拉伸后,纤维依然能回到原来长度。

Yang说,生产的PDMS纤维展现了出色的机械弹性,能轻易地打结和扭曲。此外,当研究小组将纤维直径从2毫米减小到0.5毫米时,纤维的机械强度实际增加了。

为了帮助感应,研究者将名为若丹明B的荧光染料混合进硅酮。当光照过纤维时,一些光被染料吸收:纤维越伸展,染料吸收的光越多。所以,用分光镜测量透射光就能测量纤维被拉伸或弯曲了多少,也就告诉观察者其附着的人体任何部位的运动。

研究者使用环氧树脂,将纤维粘合到一个橡胶手套上,穿戴者弯曲和伸展手指,以此进行监测。运动中,他们测量到纤维36%的应变,与使用电传感器测量的一致。

Yang表示,PDMS纤维非凡的弹性和拉伸性使其对大应变的传感器尤其具有吸引力。他补充,这是第一次有研究者使用光学传感器捕捉人体运动。

 


(环球医学编辑:丁好奇 )

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