3D打印导电弹性体实现个性化无线可穿戴设备

2021-10-12 09:18啸云3D打印
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亚利桑那大学的工程师们已经开发出一种基于佩戴者身体扫描的 3D 打印医疗级可穿戴设备的方法。



用于监测从步数到心率等信息的可穿戴传感器几乎无处不在。但是对于诸如测量老年人虚弱的发作、及时诊断致命疾病、测试新药的功效或跟踪专业运动员的表现等场景,需要医疗级设备。



亚利桑那大学的工程师们开发了一种他们称之为“生物共生设备”的可穿戴设备,它有几个前所未有的好处。这些设备不仅是定制的 3D 打印设备,而且基于佩戴者的身体扫描,而且它们可以结合使用无线电力传输和紧凑型能量存储连续运行。该团队由生物医学工程助理教授、工程学院 Craig M. Berge 教员 Philipp Gutruf 领导,今天在《科学进展》杂志上发表了他们的研究结果。



该大学BIO5 研究所的成员古特鲁夫说。“我们引入了一种全新的概念,可以直接为人量身定制设备,并使用无线电力投射使设备能够 24/7 全天候运行,而无需充电。”



设备概览。



(A)图示显示了具有多站点、长距离、无线和无电池操作能力的生物共生设备的系统级功能。(B)个性化和制造的工作流程,以创建生物共生设备。( C ) 显示设备工作原理的高级功能图。VCC,电压公共集电极。(D)在慢性研究期间佩戴多个生物共生装置的受试者的摄影图像。



制造。



A)设备制造的插图和相应的照片。( B ) 显示嵌入 3D 打印 TPU 材料的柔性印刷电路板 (PCB) 的横截面显微照片。(C)详细说明摄影测量过程和生理信息提取的插图。( D ) 条形图详细说明与具有独特的身体特征尺寸的 2D 设计缩放相关的错误。(E)为手臂量身定制的装置的照片图像,带有相应的接缝连接,以实现圆周贴合。( F ) 3D 扫描网格和由此产生的具有非线性力学特性的设备设计。



自定义拟合可实现精确监控



当前的可穿戴传感器面临各种限制。例如,智能手表需要充电,并且由于它们放置在手腕上,它们只能收集有限的数据。通过使用佩戴者身体的 3D 扫描(可以通过 MRI、CT 扫描甚至精心组合的智能手机图像等方法收集),Gutruf 和他的团队可以 3D 打印定制的设备,这些设备可以包裹身体的各个部位。想象一下专为您的二头肌、小腿或躯干设计的几乎不起眼、轻便、透气的网眼袖带。专门放置传感器的能力使研究人员能够测量他们无法测量的生理参数。



亚利桑那大学的工程师开发了一种方法,可以根据佩戴者的身体扫描来 3D 打印医疗级可穿戴设备。



“例如,如果你想要持续接近核心体温的东西,你想把传感器放在腋下。或者,如果你想测量你的二头肌在运动过程中变形的方式,我们可以在设备中放置一个传感器可以做到这一点,”生物医学工程博士生、该论文的第一作者塔克·斯图尔特说。“由于我们制造设备并将其连接到身体的方式,我们能够使用它来收集传统的腕戴式可穿戴设备无法收集的数据。”



因为这些生物共生装置是为佩戴者定制的,所以它们也非常敏感。Gutruf 的团队测试了该设备在一个人跳跃、在跑步机上行走和使用划船机时监测参数的能力,包括温度和应变。在划船机测试中,受试者佩戴多个设备,以精细的细节跟踪运动强度和肌肉变形的方式。这些设备足够准确,可以检测步行一段楼梯引起的体温变化。



连续、无线、轻松



Gutruf 和他的团队并不是第一个使用可穿戴设备来跟踪健康和身体功能的人。然而,当前的可穿戴设备不具备持续跟踪指标的能力,或者无法以足够的精度得出具有医学意义的结论。



亚利桑那大学的工程师开发了一种新型可穿戴设备,该设备通过 3D 打印来定制适合佩戴者。该设备还结合使用无线电力传输和紧凑型能量存储连续运行。



研究人员使用的一些可穿戴设备是贴在皮肤上的贴片,但当皮肤经历正常的脱落过程时,或者有时当受试者出汗时,它们就会脱落。即使是在临床环境中使用的高度复杂的可穿戴设备,例如心电图监测器,也面临这些问题。此外,它们不是无线的,这严重限制了移动性。如果患者被束缚在笨重的外部设备上,他们将无法进行正常的日常生活。



Gutruf 团队推出的生物共生装置不使用粘合剂,它从几米范围内的无线系统接收电力。该设备还包括一个小型能量存储单元,因此即使佩戴者离开系统的范围,包括走出家门,它也能正常工作。



“这些设备的设计不需要与佩戴者互动,”古特鲁夫说。“就像安装设备一样简单。然后你忘记它,它会完成它的工作。”


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