选题背景 伴随着日常生活水平的提升，长时间工作所带来的骨关节类疾病近些年反而对年青人导致了众多困惑，这也会造成工作效能降低和患上骨关节炎疾病风险提升等许多问题。而摆脱困境的一种方法便是研发一种不断检测人体关节的运动监测系统，用于防止这类关节
选题背景
伴随着日常生活水平的提升，长时间工作所带来的骨关节类疾病近些年反而对年青人导致了众多困惑，这也会造成工作效能降低和患上骨关节炎疾病风险提升等许多问题。而摆脱困境的一种方法便是研发一种不断检测人体关节的运动监测系统，用于防止这类关节疾病。现在很多实验中早已给出了各种各样可穿戴传感器用于获得身体关节的运动数据信号，不过这些感应器大部分具备繁杂且弯曲刚度很大的构造，且不能全方位多角度纪录身体关节的运动信息内容，各种问题都限制它们实践应用。
成果简介
近日，香港城市大学杨征保研究组的研究人员给出了一种基于剪纸画构造高度各种各样压电陶瓷片复合材质，用于检测关节运动和预防关节疾病。有关科研成果以“Highly anisotropic and flexible piezoceramic kirigami for preventing joint disorders”问题在国际期刊Science Advances上发布（DOI: 10.1126/sciadv.abf0795）。港城大在读博士洪颖为该论文第一作者，在读博士王标为该毕业论文共同第一作者，杨征保医生为论文通讯作者。
科研人员发觉，用这种根据剪纸画构造的压电陶瓷片复合材质制作而成的感应器可以在检测关节运动的前提下而且区别不同类型的运动模式。科研人员因此给出了一种完善的胶体溶液-疑胶模板法，用以制取这类软性压电陶瓷片复合材质，并在这个基础上制定了二维蜂巢状压电陶瓷片剪纸画做为关键传感器元件。这类与众不同的剪纸画总体设计不仅可以改进其压电式特性，并且还提供机械设备和压电式的多重各种各样。运用这类各种各样，科研人员还可以在精确测量平面图中随意方位应力的与此同时，还可以剖析其地应力尺寸及方位。在这个基础上，科研人员还设立了一套监测和预警系统，用于检测颈椎骨和肩关节脱位处关节运动。
如下图1所显示，该感应器以PET塑料薄膜为软性底材，左右分别为双层软性压电式复合材质。这类软性压电式复合材质的关键传感器元器件是有着蜂巢状剪纸画构造的PZT瓷器互联网，而 PDMS高弹体的添充使之具有非常好的软性，能够很好的粘贴在皮肤各骨关节表层。
▲图1. A 根据剪纸画构造的软性压电式传感器平面图。B 运用左右双层感应器数据信号区别颈椎骨健身运动。C 感应器实体图。D 感应器能够很好的粘贴在皮肤各关节部位。
与已有的许多应用剪纸画做为被动元件的专业技术不一样，这儿科研人员应用剪纸画自身做为积极传感器功能的模块。如下图2所显示，当这类剪纸画模版被拉申后，便具备更加好的趋向性，这也使得了其压电式各种各样的形成。科研人员从仿真模拟和试验两个方向都得出了一样的观点，这类具有独特剪纸画构造的软性压电式合乎原材料具备达到17.3的压电式各种各样（如下图3所显示）。换句话说，这类复合材质顺着2个竖直方向弯折时，其压电式导出相距17.3倍。
▲图2. A 软性压电式复合材质的制取平面图。B-D 不一样预拉长的压电陶瓷片框架电镜图。E-H 瓷器框架能谱仪图。I-J不一样工作压力中的工作电压导出。K 不一样原材料的杨氏模量比照。
▲图3. A 弯折模式中压电式导出平面图。B 模拟仿真应变力布局图。C 模拟仿真各种各样。D 不一样弯折的方向工作电压输出信号。E 不一样弯折目标和弯折幅度的工作电压导出。F 多种多样各种各样感应器对比。
科研人员进一步将具备双层压电式复合材质的感应器贴住人手掌上，便能分析左右双层传感器压电式导出，耦合获得手掌心的变形力度和变形方位（如下图4所显示）。另一方面，当这类感应器被贴住颈椎骨和肩关节脱位处时，左右双层感应器传出的不一样数据信号也会被用于剖析颈椎骨和肩关节脱位的运动模式，例如分辨颈椎骨是上下晃动或是前后左右晃动（如下图5所显示）。在这个基础上，科研人员设立了一套关节运动监测和预警系统，在半小时的检测中，这一套系统软件不仅能分辨身体颈椎骨和肩关节脱位的运动情况，并且还能针对不同状况对那些位置缺乏运动开展警示，从而减少长时间久坐所带来的各种各样重要病症（如下图6所显示）。
▲图4. A两层感应器平面图。B 顶层感应器数据信号线性拟合。C 下一层感应器数据信号线性拟合。D-F 感应器粘贴手掌心后对手掌心运动的检测。
▲图 5. A 颈椎骨运动模式平面图。B 肩关节脱位运动模式平面图。C-D 模拟仿真应变力和电流遍布。E 不一样颈椎骨健身运动相对应的感应器数据信号。F 不一样肩关节脱位健身运动相对应的感应器数据信号。
▲图6. A 100 s 内颈椎骨健身运动检测。B 100 s 内肩关节脱位健身运动检测。C-D颈椎骨和肩关节脱位运动的检测及报警设备。
如上所述，科研人员开发设计这一款新式软性压电式传感器具备很多特点，包含比较大的检测范围、相对较高的压电式各种各样、多功能精确测量能力及长久的检测水平。这样的设计各种各样剪纸画结构与生产制造多用途压电陶瓷片的发展理念为现阶段的可拉申多用途压电式元器件带来了新解决方案。但这种生产制造具备相对高度各种各样的感应器并且用把这种传感器应用到关节运动检测的思路，都将推动健康监测设备中柔性电子器件的高速发展及各种骨关节疾病的预防和恢复。
该论文的别的创作者有林伟康、金立涵、刘世源，合作方有港城大终身教授骆小伟，香港大学终身教授潘佳，香港大学专家教授王文平。本项目获得了香港大学教育资助联合会优秀青年专家学者方案（no. 21210619），自然科学基金（no. 11902282），和香港城市大学（no. 9610390）的大力支持。
研究组网址：
https://www.cityu.edu.hk/mne/stvl/
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