作者:冯维维 来源:中国科学报 发布时间:2023/6/30 13:22:48
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能感受肌肉运动的纺织品来了

 

利用纳米磁性复合材料和导电纱线制备,美国加州大学洛杉矶分校工程系陈俊等发明了一种智能纺织品,可以感知和测量身体运动——从肌肉弯曲到静脉搏动。新装置具有自供电、弹性强、耐用、防水的特点,可以用缝纫机缝制,价格仅为几美元,未来或有助临床医生评估肌肉损伤并帮助患者康复。相关研究近日发表于《物质》期刊。

这种智能纺织品具有类似布的质地,由一个纳米磁铁填充的橡胶块制成,约有两张邮票大小。研究人员使用一台缝纫机,将镀银的导电纱线盘绕缝在贴片上。施加机械力,比如手指轻拍,就可以改变橡胶内部的磁场模式,从而在纱线中产生电流。力改变磁场和磁通量变化产生电,这两种现象被称为磁弹性效应和电磁感应。

“我们的设备对生物力学压力非常敏感。”陈俊说,“该设备能将肌肉活动转化为可量化的高保真电信号,并无线发送到手机应用程序,具有用于个性化物理疗法和改善肌肉损伤康复的潜力。”

该设备不仅灵敏,而且精确,能详细反映每个肌肉群的运动。研究人员将该设备安装在不同的身体部位,可以清楚地测量喝水时喉咙的运动,走路时脚踝的运动,甚至可以在手腕上监测一个人的脉搏。当将该设备固定在一个人的二头肌上时,它可以显示出人们是否在弯曲手臂或握紧拳头,以及弯曲的程度和力度。基于这些类型的信息,临床医生可以找到合适的阈值,鼓励适度活动,并防止过度运动,为病人量身定制恢复练习目标。

陈俊团队还对该设备的功能进行了测试。为了模拟现实情况,比如过度出汗和大雨,研究小组用水雾打湿了设备,并测试了其信号输出。结果显示,信号仍然很强。除了防水之外,该设备还具有弹性和耐用性,可以延长3.5倍,承受10万次的变形循环。此外,该设备易于制造且具有高度可扩展性,每个贴片的成本估计不到3美元。

“该设备的另一个亮点是它的自供电特性。”陈俊说,“将生物力转化为电力意味着该设备也是一个发电机。这就消除了可穿戴电子设备中通常需要的笨重和坚硬的电池组。”

接下来,该团队希望使该智能纺织品更薄、更轻,以优化佩戴者的体验。2021年,陈俊团队在软系统中发现了磁弹性效应。他们还计划探索新的方法,将这些发现融入其他可穿戴或可植入生物电子产品中。

“我们已经测试了该设备用于心血管监测和呼吸监测。”陈俊说,“有一天,我们可能会改良心电图机等设备,使它们体积更小,更可穿戴。”

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新纺织品可感知肌肉运动 图片来自:陈俊等

相关论文信息:

http://doi.org/10.1016/j.matt.2023.06.008

 
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