頸椎病是一種通常由于長(zhǎng)期看書、使用電腦或智能手機(jī)等活動(dòng)導(dǎo)致頸椎曲度異常所引起的常見(jiàn)疾病。幸運(yùn)的是，臨床實(shí)踐表明，早期異常的頸椎曲度可以通過(guò)頸椎姿勢(shì)監(jiān)測(cè)和治療干預(yù)來(lái)矯正，而且這個(gè)過(guò)程越早開(kāi)始越有效。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，北京航空航天大學(xué)王黨校教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在Microsystems & Nanoengineering期刊上發(fā)表了以“A skin-integrated device for neck posture monitoring and correction”為題的論文，構(gòu)建了一種采用電子皮膚（e-skin）外形和結(jié)構(gòu)的不受束縛的皮膚集成設(shè)備，以監(jiān)測(cè)和觸覺(jué)矯正頸部姿勢(shì)。所提出的設(shè)計(jì)采用多層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將所有柔性電子電路和組件集成到緊湊的電子皮膚中，同時(shí)不受束縛且與皮膚保形。電子皮膚中的加速度傳感器附著在頸部以進(jìn)行姿勢(shì)傳感，四個(gè)振動(dòng)執(zhí)行器緊密接觸頸部皮膚以提供局部振動(dòng)觸覺(jué)刺激，編碼頸部前屈±α和側(cè)向彎曲±β的四向矯正反饋。

為了確保頸部運(yùn)動(dòng)過(guò)程中姿勢(shì)傳感和振動(dòng)觸覺(jué)呈現(xiàn)的可靠性，需要防止電子皮膚設(shè)備發(fā)生移位。為此，研究人員采用基于中空結(jié)構(gòu)的方法將電子皮膚穩(wěn)定地附著于頸部皮膚。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電子皮膚設(shè)備在頸部姿勢(shì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的傳感精度、皮膚適形性、粘性、穩(wěn)定性和有效性，包括其對(duì)局部四向振動(dòng)觸覺(jué)反饋的識(shí)別能力。一項(xiàng)用戶研究驗(yàn)證了該設(shè)備在使用智能手機(jī)、讀書和處理計(jì)算機(jī)文件等活動(dòng)期間感知和矯正不同異常頸部姿勢(shì)的性能。所提出的電子皮膚設(shè)備有望為更便捷的頸椎病預(yù)防和康復(fù)創(chuàng)造機(jī)會(huì)。

根據(jù)對(duì)姿勢(shì)和頭部位置對(duì)頸椎造成的應(yīng)力的醫(yī)學(xué)評(píng)估，對(duì)頸部最有利的位置是當(dāng)耳朵與肩膀?qū)R時(shí)的狀態(tài)。這種適當(dāng)?shù)膶?duì)齊可以減少頸部的脊椎應(yīng)力。因此，如圖1a、1b所示，目前構(gòu)建的電子皮膚設(shè)備采用一個(gè)加速度傳感器和四個(gè)局部方向編碼振動(dòng)執(zhí)行器，旨在從四個(gè)角度方向（頸部前屈的俯仰±α和側(cè)向彎曲±β）監(jiān)測(cè)和矯正頸部姿勢(shì)，以保持正常的健康姿勢(shì)狀態(tài)。

圖1 電子皮膚設(shè)備的架構(gòu)、使用場(chǎng)景和設(shè)計(jì)參數(shù)

研究人員將所有電子組件（包括傳感器、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行器、控制器、無(wú)線通信模塊和電源單元）集成到一個(gè)緊湊的電子皮膚中。然后，他們優(yōu)化了柔性印刷電路（FPC）薄膜上芯片和蛇形連接線的布局，使其尺寸為32?mm?×?24?mm。四個(gè)用于方向矯正的振動(dòng)執(zhí)行器放置在FPC薄膜的四條邊上的位置，盡可能保持距離，以避免執(zhí)行器和FPC薄膜之間的相互振動(dòng)干擾，如圖1c所示。

為了將所有部件和組件封裝到電子皮膚中，研究人員采用了硅膠澆鑄工藝進(jìn)行封裝。然而，芯片和組件的厚度尺寸各不相同，統(tǒng)一的電子皮膚厚度尺寸取決于最厚的組件。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員采用了多層澆注方法，根據(jù)元件厚度尺寸不同的情況澆鑄硅膠封裝層，如圖1e、1f所示。

在重復(fù)使用和頸部運(yùn)動(dòng)期間，將電子皮膚穩(wěn)定固定在頸部上的粘性方案是至關(guān)重要的。硅膠封裝的電子皮膚最初在貼附時(shí)是粘性的，但隨著時(shí)間的推移，由于積聚的灰塵和用戶的汗水，這種粘性會(huì)降低。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員采用了粘性強(qiáng)、親膚的醫(yī)用雙面膠帶；最重要的是，它也是可更換的。最后，研究人員將可更換的醫(yī)用雙面膠帶粘貼到中空結(jié)構(gòu)中執(zhí)行器的裸露金屬表面上（見(jiàn)圖1f），并將電子皮膚附著于頸部（見(jiàn)圖1d、1g）。

研究人員制造了電子皮膚設(shè)備并對(duì)其各項(xiàng)性能進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證，如圖2和圖3所示。

圖2 角度傳感、機(jī)械性能和粘性以及振動(dòng)觸覺(jué)刺激定位的驗(yàn)證

圖3 電子皮膚在頸部運(yùn)動(dòng)中的穩(wěn)定性和粘性，以及識(shí)別局部振動(dòng)觸覺(jué)刺激的正確率

研究人員開(kāi)展了一項(xiàng)用戶研究，旨在驗(yàn)證電子皮膚設(shè)備在三種典型的娛樂(lè)和工作場(chǎng)景（玩智能手機(jī)、閱讀書籍和處理計(jì)算機(jī)上的文件）中的實(shí)際效果，如圖4所示。

圖4 三種場(chǎng)景的用戶研究結(jié)果

綜上所述，本研究提出了一種具有電子皮膚外形和結(jié)構(gòu)的無(wú)束縛皮膚集成設(shè)備。該設(shè)備能夠感知頸椎并提供振動(dòng)觸覺(jué)反饋，以監(jiān)測(cè)并從觸覺(jué)上矯正頸部姿勢(shì)。所提出的多層結(jié)構(gòu)將所有柔性電子電路和組件集成到緊湊的電子皮膚結(jié)構(gòu)中。這種設(shè)計(jì)方案能夠使設(shè)備在附著于頸部皮膚時(shí)不受束縛，具有良好的適應(yīng)性和貼合性。此外，研究人員還提出了一種基于中空結(jié)構(gòu)的附著方法，用于將電子皮膚穩(wěn)定地附著在人體頸部皮膚上。該方法可以避免電子皮膚設(shè)備的位置偏移，以確保頸部前屈和側(cè)彎運(yùn)動(dòng)過(guò)程中姿勢(shì)傳感和局部振動(dòng)觸覺(jué)呈現(xiàn)的可靠性。

研究人員還對(duì)電子皮膚設(shè)備進(jìn)行了評(píng)估，并驗(yàn)證了其傳感精度、皮膚適形性的機(jī)械特性、粘性，以及在跟蹤頸部前屈和側(cè)彎等不同頸部姿勢(shì)變化和實(shí)現(xiàn)局部振動(dòng)觸覺(jué)識(shí)別的感知隔離方面的有效性。通過(guò)一項(xiàng)用戶研究，研究人員進(jìn)一步驗(yàn)證了柔性電子皮膚設(shè)備在用戶使用智能手機(jī)、閱讀書籍和處理計(jì)算機(jī)文件的情況下感知其姿勢(shì)并進(jìn)行振動(dòng)觸覺(jué)矯正的良好性能。因此，所提出的電子皮膚設(shè)備有望為頸椎病的預(yù)防和康復(fù)創(chuàng)造機(jī)會(huì)。