柔性可穿戴传感与智能识别技术研究进展

柔性可穿戴传感器件能与人体稳定集成, 具有多生理参数和运动参数连续动态测量能力, 可在健康监测、运动监控、精准医疗、人机交互等领域发挥重要作用. 柔性可穿戴传感器件与人工智能技术的结合, 充分展示了利用连续动态多参数信号测量的进行疾病、动作、语音等判定与识别的优势. 天津大学黄显课题组通过介绍柔性可穿戴器件在物理信号、化学信号和图像信号传感中应用, 从硬件平台和数据处理分析技术两方面介绍了柔性可穿戴器件与人工智能结合的方法和进展, 展示了基于柔性可穿戴传感系统的智能识别技术, 分析了柔性可穿戴传感与智能识别技术在柔性化集成、数据传输、能源供应等方面面临的诸多挑战, 并对未来发展趋势进行了展望.

以智能手表、电子手环、动态心电监护仪、智能纺织品和智能手套等为代表的可穿戴设备在疾病诊断、健康监测、康复治疗、人机交互和互动娱乐等领域获得了广泛的应用. 据统计, 2019年, 这类可穿戴电子设备的销售额已超过500亿美元, 并预计在2023年将突破1000亿美元, 显示了它们巨大的商业前景. 这些可穿戴设备搭配了各种心电、肌电、血氧、加速度、角度传感单元, 通过与各种类型的算法相结合, 实现了对于人体健康状况、睡眠状态、运动效果和动作姿态的判别. 这些可穿戴设备大多具有刚性的形态, 在保障坚固耐用的同时, 也暴露出与柔软的皮肤组织不兼容, 无法顺应皮肤表面形态, 与皮肤接触不紧密等问题. 由于需要采用腕带、胸带等额外的固定装置, 导致皮肤组织长期受到这些装置的束缚. 这些固定方式并不能保障可穿戴设备与皮肤不产生相对位移, 降低了生理参数测量的重复性. 相比而言, 柔软轻薄具有可延展结构的柔性可穿戴电子器件可跟随皮肤共同运动, 可通过直接附着的方式实现与皮肤的共形紧密接触, 在长期生命体征监测中表现出了优异的重复性. 目前, 柔性电子器件已经实现包括温度、心率、心电、皮肤电阻抗等物理量和代谢物、电解质与生物分子等化学物质的测量, 同时还可以通过超声、X射线成像等方式实现经皮跨组织的图像信号检测.

柔性电子技术是一种与众多技术兼容, 具有高度包容性高度交叉的新兴技术. 通过与CMOS、印刷电子、纳米技术等的不断融合, 在功能材料、加工方法、测量参数、系统集成、应用等方面不断拓展其内涵, 涌现出大量颠覆性的研究成果. 伴随着人工智能、5G、类脑计算等前沿技术的不断发展, 柔性电子器件与它们融合的趋势愈发明显. 特别是与人工智能技术的结合, 充分展示了柔性电子器件连续测量动态多参数生理信号的优势. 仅仅3~4年的时间, 柔性可穿戴系统所获得的人体生理生化参数、动作参数和语音信号就从简单分析判断为主转变为了大量依靠各种神经网络和机器学习方法进行疾病诊断、动作识别、语音增强等任务, 展示了人工智能技术对复杂多元信号特征提取、处理和识别的能力. 柔性可穿戴传感器与人工智能技术相结合虽然已产生了大量的研究成果, 但二者更紧密的融合也并非是一蹴而就的过程, 存在众多挑战和不确定性. 相关的综述总结还比较少, 并且多侧重于可穿戴传感器件的分类和功能, 忽视了与人工智能结合必须考虑的硬件和软件的问题, 较少阐述二者的结合面临的诸多挑战. 天津大学黄显课题组从柔性可穿戴传感器典型应用出发, 从硬件平台和数据处理分析技术两方面介绍柔性可穿戴器件与人工智能结合的方法和进展, 展示基于柔性可穿戴传感系统的智能识别技术, 分析柔性可穿戴传感与智能识别技术在柔性化集成、数据传输、能源供应等方面面临的诸多挑战, 为柔性可穿戴传感系统与人工智能技术的融合发展提供参考, 并对未来发展趋势进行展望 (见下图).

该文将收录于 《中国科学：化学》“柔性电子材料与器件专刊”，点击下方链接或“阅读原文”可读全文：

晚春雪, 吴子悦, 黄显. 柔性可穿戴传感与智能识别技术研究进展. 中国科学 : 化学, 2022, doi:10.1360/SSC-2022-0164