在追求更高效且易用的关节健康监测解决方案的过程中，研究人员不断探索创新方法以提升可穿戴设备的功能。近日，《纳米-微米快报》（Nano-Micro Letters）上发表的一篇文章介绍了一种突破性的AI赋能压电可穿戴设备，该设备能够精准监测关节扭矩。文章由牛津大学的金钟·谭教授（Jin-Chong Tan）和伦敦大学学院的赵虎斌教授（Hubin Zhao）共同撰写。
为什么这项研究重要
- 增强关节健康监测：传统评估关节扭矩的方法通常局限于实验室环境或需要复杂设置，限制了其在现实世界中的应用。这种新型可穿戴设备提供了便携式、非侵入式的连续关节扭矩监测方案，对于评估关节健康、指导干预措施以及监测康复进展至关重要。
- 高灵敏度与精准性：设备采用高灵敏度的氮化硼纳米管（BNNTs）/聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合材料，能够精确捕捉动态膝关节运动信号。轻量化的神经网络则处理复杂信号，准确估算扭矩、角度和负载，为关节健康评估提供可靠数据。
- 低成本且普及性强：该设备的材料与设计兼容低功耗、资源受限的场景，使其成为一种成本效益高且易于获取的解决方案，适用于全球不同发展水平地区的多样化人群，可能彻底改变关节健康监测的方式。
创新设计与机制
- 氮化硼纳米管与聚二甲基硅氧烷：BNNTs因其卓越的机械强度、热稳定性和固有的压电特性，被认为是构建高性能压电传感器的理想材料。将BNNTs均匀分散于PDMS基质中，形成高灵敏度的压电薄膜，能够捕捉复杂的膝关节运动信号。
- 逆向设计结构：该可穿戴设备采用了一种逆向设计结构，具有负泊松比，与膝关节生物力学精确匹配。这一独特设计确保了最佳的生物力学兼容性，提高了运动追踪的保真度，并能够在膝关节运动过程中详细感知复杂的负载条件。
- 人工智能集成：通过在设备上集成轻量化的神经网络，可以实时处理和分析运动过程中产生的复杂压电信号。AI算法能够精准提取目标信号，并将其映射到对应的物理特征（如扭矩、角度和负载），从而提供关于关节健康的重要见解。
应用与未来展望
- 关节健康监测：该可穿戴设备能够连续监测关节扭矩，为评估关节健康和早期发现潜在问题提供宝贵的数据。它对患有肌肉骨骼疾病的人群、老年人以及运动员尤其有益，有助于及时干预并制定个性化的康复计划。
- 康复与损伤预防：通过提供实时扭矩评估和关节损伤风险评估，该设备在康复计划中发挥关键作用，确保安全有效的恢复。同时，它还可以通过提醒用户注意可能有害的关节运动或过大的扭矩来帮助预防损伤。
- 未来研究方向：未来的研究应集中于进一步优化传感材料、设备设计和AI算法，以提高设备的性能、精度和适应性。探索额外的互补模态并将设备与可穿戴机器人或外骨骼集成，将进一步扩展其在各个领域的应用和实用性。
这款创新的AI赋能压电可穿戴设备代表了关节健康监测领域的一项重大进步，提供了低成本、高灵敏度的解决方案，具有广泛的应用潜力。敬请关注金钟·谭教授和赵虎斌教授团队的更多突破性研究，他们将继续推动可穿戴技术的边界，为改善关节健康和康复效果做出贡献。
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