比翱研究院丨基于人工智能的可穿戴装备超材料设计- 大数跨境

两江科技评论

2023-12-05

导读：可穿戴健康传感器已成为持续健康监测不可或缺的一部分。本文概述了基于人工智能的可穿戴医疗超材料设计、当前的挑战和未来的方向。

比翱起源于国际知名科学理论（Biot，多孔介质理论），是传承百年的多孔介质研究和材料物理特性设计领域的经典理论！比物此志，翱翥未来。比翱科技集团致力于成为科技创新和工业研发领域的世界级工程生态平台。比翱DNA以其人类价值为特征，这些价值体现在我们所有的行为和项目中。这些价值观是我们的特质，是我们内部和外部活动不可或缺的一部分。

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持续监测生理参数仍然是患者护理的重要组成部分。随着人们对个人健康和幸福的意识水平提高，生理监测的范围已经扩展到医院之外。从植入节律设备到新冠肺炎期间危重患者的非接触式视频监测和家庭健康监测，许多应用程序都实现了持续的健康监测。可穿戴健康传感器使慢性病患者以及看似健康的个人能够使用智能手表或纺织品、手镯和其他配件跟踪数量繁多的生理和药理学参数，包括运动、心率、血糖和睡眠模式。超材料在可穿戴传感器设计中的使用对物质的电磁、机械力学、声学、光学或热特性提供了独特的控制，使高灵敏度、用户友好和轻便的可穿戴装备得以开发。然而，可穿戴装备的超材料设计在很大程度上依赖于手动设计过程，包括基于人类直觉和生物灵感的设计。基于人工智能的超材料设计可以支持更快地探索设计参数，允许对大型数据集进行有效分析，并减少对手动干预的依赖，从而促进可穿戴健康传感器的最佳超材料开发。本文概述了基于人工智能的可穿戴医疗超材料设计。讨论了当前的挑战和未来的方向。

在过去几十年中，准确连续记录生理数据的可穿戴传感器的发展势头强劲，产生了电子皮肤（e-attoos）、基于纺织品的传感器和生物流体可穿戴传感器等应用等。然而，这些可穿戴设备的性能受到其制造中使用的材料的内在质量的限制。为了解决这一问题，超材料已成为有潜景的一种解决方案。超材料对物质多物理场特性的调控能力，使其能够实现可穿戴装备的高级应用。例如，使用拉胀超材料可以通过消除传统材料的固有灵敏度限制来提高可拉伸应变传感器的传感性能。拉胀超材料具有负泊松比，能够进行二维扩展，有研究证明，其灵敏度比传统传感器提高了24倍；对于具有负折射率和带隙等特性的超材料，可以操纵机械波传播，以实现优化的能量收集；已经开发了各种基于超材料的天线来建立无线体域网络（WBAN），并改进了无线通信，拓宽了工作频带，或实现了可重新配置；通过允许患者特定的调整（即关节运动的位置调整），低温热塑性塑料（LTTP）已被用于制造具有卓越用户舒适度的电子辅助装备。

研究创新

基于人工智能的工具可以在超材料设计中实现更高程度的功能，尤其是在可穿戴装备中。通过支持更快地探索设计参数，允许对大型数据集进行有效分析，并减少对手动干预的依赖，基于人工智能的设计可以实现更优化的超材料设计，从而扩大可穿戴技术的应用范围。此项工作概述了基于人工智能（AI）的可穿戴医疗设备超材料设计，并讨论了在医疗保健和医学中使用基于人工智能的超材料设计的未来方向。

基于人工智能的可穿戴装备超材料设计概述。A）可穿戴传感器的当前应用。可穿戴传感器应用案例包括智能纺织品、类皮肤传感器、智能手表或腕带、鞋子、眼镜等。应用包括健身跟踪、睡眠分析、生命体征监测、运动和跌倒检测、生物流体分析和触觉传感器。B）将基于人工智能的超材料设计集成到可穿戴传感器开发中，实现设计空间的探索、参数的优化、模式的揭示和结构性能的预测。C）使用基于人工智能的超材料设计的可穿戴传感器的未来方向：新生儿重症监护室的生理监测，开发先进的人工耳蜗以恢复自然听力，构建具有改进的神经接口、触觉和移动性的尖端假体设计，以及在个性化医疗中的应用。

图文快览

用于可穿戴动脉血压传感器的压电超材料设计。A）3D传感器仿真模型。（I）压电晶胞单元尺寸，（II）具有可变角度单元的蜂窝和凹入模型，（III）皮肤组织上的传感器模型。B）具有Von Mises应力和电压分布的方形、凹入式和蜂窝结构的应力分析和压电模拟。C）使用贝叶斯优化实现输出电压最大化。D）输出电压BP模拟。I）血管内BP变化的示意图模型，II）使用有限元计算的方形、凹入式、砖形和蜂窝结构的舒张和收缩BP以及输出电压。

e³皮肤示意图。A）基于SSE的e³皮肤3D打印制造，使用多功能和可定制的墨水。B）e³皮肤结构，描绘了能够进行多模式生理监测的生物化学和生物物理成分。C）人体受试者上完全组装的e³皮肤的光学图像。D）e³皮肤的3D打印MXene细丝。E）3D打印压力传感器的组件和结构。F）人体受试者在休息和运动后使用压力传感器监测径向脉搏。G）基于机器学习的e³皮肤行为分析系统。

基于人工智能的超材料设计策略，开发A）完全可回收、超可压缩（100%）超材料。B）使用深度学习的多材料超材料晶格结构。

表：可穿戴传感器基于人工智能的超材料设计策略的当前挑战和潜在解决方案。

结论

可穿戴健康传感器已成为持续健康监测不可或缺的一部分。在改善用户体验的同时，超材料在可穿戴设备中的使用大大扩展了传感器的功能。基于人工智能的超材料设计可以通过促进优化设计参数，使可穿戴健康传感器发挥最大潜力。使用基于人工智能的超材料设计，可穿戴健康传感器可用于多种应用，包括新生儿重症监护室传感器、耳蜗植入物、辅助机器人和个性化医疗。

原文来源：Adv. Sensor Res. 2023, 2300109；AI-Based Metamaterial Design for Wearables；https://doi.org/10.1002/adsr.202300109

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