基于柔性传感器的可穿戴设备在康复领域中的应用.pdfVIP

基于柔性传感器的可穿戴设备在康复领

域中的应用

摘要：随着社会的发展，医疗健康领域逐步走向智能化，可穿戴设备也逐渐

成为医疗领域的关注焦点。可穿戴设备在医疗领域主要应用于健康监测、运动传

感、人群大健康分析等，这与康复医学“功能复健，健康促进”的最终目标不谋

而合，康复医学将会是可穿戴设备在医疗健康领域的重要应用学科。可穿戴设备

的工作形式是佩戴在身上并需长时间与身体接触，这样的作用特点使得用户对设

备的穿戴舒适性、美观性要求较高，现有可穿戴设备很难做到这一点，但材料创

新或许能够成为新的突破口。目前市场上售卖的可穿戴设备如智能手表、智能眼

镜等多由刚性材料制成，刚性材料的延展性和贴合性均较差，且材料密度大，很

难满足用户对贴身设备舒适轻便的需求。

关键词：柔性传感器；可穿戴设备；康复领域；应用

引言

可穿戴设备是指直接穿在身上或整合到衣服、配件上的一种便携式设备，主

要通过软件支持以及数据交互、云端交互来实现强大的功能。其形式多样，因便

携、能耗低、体积小等特点，市场上以手环、手表、贴片等设备应用最为广泛。

随着最初谷歌眼镜的诞生，到现在众所周知的Applewatch、小米智能手环等，都

是可穿戴设备应用于人们生活中的体现。目前国外的可穿戴技术相对完善，中国

起步较晚，但近几年发展较快，也预示着可穿戴设备将会是未来科技发展的一个

重要方向。发电供能行业朝着绿色、健康、环保的方向发展。常用的新能源发电

包含风力发电技术、太阳能发电技术、水能发电技术、地热能发电技术等。这些

可再生能源有利于保障人们的生活与生产，促进供能行业的可持续发展。近年来，

可穿戴设备逐渐进入人们的生活中，可以轻松、舒适地穿戴在人体部位上，起到

保护、监测、预警的作用，因此，得到了广泛的关注。考虑到人们活动环境的复

杂性，开发持久性强、稳定性高的可穿戴技术对可穿戴设备的广泛应用具有重要

作用。例如，随着现代电力行业的飞速发展，智能化可穿戴电子设备在电力巡检

运维作业过程中的作用日益突显，需要更多智能化、易操作的可穿戴设备与巡检

人员的高强度工作匹配。然而，目前巡检现场的大多数智能柔性可穿戴设备不能

独立工作，需要依靠外部电源。由于可穿戴设备有限的设计空间不利于储能设备

的扩容，同时冗杂的电源会带来不可避免的电子垃圾和环境破坏。缺乏灵活、可

伸展和小型化的能源供应设备导致不能为长时间的工作下提供足够的电能。因此，

设计独立、轻便、长续航的供能设备迫在眉睫。

当前，通过外部能量转换成电能供给微型设备的技术还处在初级阶段，如压

电材料利用压电效应将振动能量转化为电能，输出电压由施加在压电材料的机械

应力大小决定，但是在微型设备上设计微型压电结构仍然具有较大难度。因此，

如何将成熟的电能生产技术运用到智能可穿戴设备成为当前研究的热点。此外，

现代集成电路不断朝着低工作电压和低能耗的方向发展，降低设备供能的要求，

因此，可穿戴设备的能耗也需要进一步降低。目前可穿戴设备的供能主要通过外

部充电的电池提供，需要不断地进行外部补充电能，一定程度限制了设备的自主

性。综上所述，新型供能技术的发展显得非常迫切，其研究成果有利于扩大可穿

戴设备的应用。

持续的能源供应作为可穿戴电子设备的运行基础，其优化改进和创新型研究

对可穿戴系统具有重要的意义和影响。本文综合了近年来的多项研究成果，首先

从微能采集和能量储存角度对可穿戴设备供能研究现状进行阐述；其次，深入探

讨了两种技术集成的应用研究；然后，介绍了自供电传感器与两者耦合的创新研

究；最后，对可穿戴设备供电的未来趋势进行了展望。

1研究背景

柔性混合电路(flexiblehybridcircuit,FHC)是一种将刚性电子芯片

和柔性印刷电路组装并电气连接的新型电路。该电路不仅具有芯片的信号处理能

力,而且还能够保持柔性印刷电路的柔韧性。FHC被广泛应用于监测血糖、心率和

血氧等人体生理信号的可穿戴设备中。为了将刚性电子芯片和柔性印刷电路组装

成FHC并实现电气连接,学者们开展了诸多研究。使用含有银纳米微粒的各向同

性导电粘合剂将贴片电阻组装到柔性印刷电路上。使用液态金属油墨实现了小外

形封装芯片与柔性印刷电路之间的电气连接。随着芯片集成度的提升,对FHC组

装精度的要求也越来越高。使用含铋的低熔点焊锡将无引脚封装芯片组装在柔性

印刷电路上,低熔点焊锡具有焊接精度高、连接强度高和电气性能良好等优点,因

而被广泛应用于FHC的组装工艺中。使用各向异性导电薄膜实现在柔性印刷电