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張楊松/蒲賢潔ACS Nano：摩擦納米發(fā)電機(jī)+深度學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)頸部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)

頸部運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)反映了頸部的健康狀況，檢測(cè)人體頸部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)醫(yī)療智能具有重要意義。實(shí)用的頸部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器應(yīng)該是可穿戴、柔性、節(jié)能和低成本的。

在此，西南科技大學(xué)張楊松副教授、重慶大學(xué)蒲賢潔等人提出了一種基于摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）的支持深度學(xué)習(xí)（DL）、可穿戴、親膚、柔性、可拉伸、低成本且易于制造的頸部運(yùn)動(dòng)傳感器。這種自供電頸部運(yùn)動(dòng)摩擦電傳感器（SNM-TS）最外層由四個(gè)固定在硅頸圈上的硅橡膠基摩擦電納米發(fā)電機(jī)（S-TENG）組成，最內(nèi)層由硅橡膠制成的頸圈作為基底。頸部運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)傳感器施加壓力，導(dǎo)致S-TENG彎曲或拉伸。在屈曲過(guò)程中，電子通過(guò)外電路從碳/硅橡膠流向地面以保持靜態(tài)平衡。

當(dāng)碳/硅橡膠和硅橡膠之間的距離最短時(shí)，二者之間的電位差最低。當(dāng)頸部恢復(fù)到初始狀態(tài)時(shí)，電子通過(guò)外部電路向后流動(dòng)。電壓波形的峰值為負(fù)，而在延伸過(guò)程中電流方向相反，電壓波形的峰值為正，這是發(fā)電過(guò)程的一個(gè)完整周期。

圖1. S-TENG的工作機(jī)理和性能

值得注意的是，作者在S-TENG和頸圈之間附加了碳摻雜硅橡膠層作為屏蔽層，可大大降低人體皮膚強(qiáng)正電位的影響從而提高信噪比（SNR）?；诖藘?yōu)化，當(dāng)頸部處于特定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，四個(gè)通道輸出的不同幅度/方向的電壓信號(hào)是穩(wěn)定的，從而可識(shí)別頸部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

為了進(jìn)一步提高識(shí)別率，作者設(shè)計(jì)了一個(gè)基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）的DL模型來(lái)識(shí)別11類頸部運(yùn)動(dòng)，包括8個(gè)彎曲方向、2個(gè)扭轉(zhuǎn)方向和1個(gè)靜止?fàn)顟B(tài)。最終，獲得了92.63% 的平均識(shí)別準(zhǔn)確率?？傊?，柔性屏蔽層的設(shè)計(jì)和DL算法的應(yīng)用為摩擦電可穿戴傳感器的改進(jìn)提供了參考。此外，除了頸部運(yùn)動(dòng)外，該傳感器的結(jié)構(gòu)和相關(guān)數(shù)據(jù)分析方案還可用于檢測(cè)人體其他關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，在醫(yī)療保健、康復(fù)和人機(jī)界面等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖2. 集成DL輔助數(shù)據(jù)分析的頸部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)

Deep Learning Enabled Neck Motion Detection Using a Triboelectric Nanogenerator, ACS Nano 2022. DOI: 10.1021/acsnano.2c02149

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