供稿人:余常欣 連芩 發(fā)布日期：2017-10-03
半個(gè)世紀(jì)以來，人們對(duì)人體工程學(xué)和人體運(yùn)動(dòng)學(xué)的探索從未間斷。然而，囿于科學(xué)技術(shù)的落后，對(duì)于“人體運(yùn)動(dòng)的研究”始終沒有突破性的進(jìn)展，而由3D軟打印技術(shù)所提供的軟傳感器具有可形變的特征，從而能夠測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)的參數(shù)，這將會(huì)是該研究突破的曙光。
過去，對(duì)于人體運(yùn)動(dòng)的很多方面均依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，比如足球教練指導(dǎo)隊(duì)員們踢球，是通過目測(cè)隊(duì)員的膝蓋彎曲程度，大腿擺動(dòng)幅度，以及腳踝的形態(tài)等動(dòng)作因素并與自己踢球的經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合來進(jìn)行的，這樣的方法無疑是不夠準(zhǔn)確也具有很大局限性的。因此，需要一種能夠方便獲取隊(duì)員身體形態(tài)的精確參數(shù)的輔助工具。這樣的輔助工具還可以運(yùn)用在其他方面，比如，床墊供應(yīng)商研發(fā)一款新的床墊的時(shí)候，往往通過“試睡員”試睡后的反饋意見來繼續(xù)改進(jìn)床墊，由于個(gè)體差異的因素，顯然這個(gè)方法并不能滿足現(xiàn)代人對(duì)于高質(zhì)量睡眠的要求，同時(shí)對(duì)于研發(fā)進(jìn)度也有很大程度的拖累，而如果能夠通過輔助工具準(zhǔn)確地獲得一些床墊和試睡員的參數(shù)，比如床墊的彎曲程度，試睡員的脊椎彎曲程度，試睡員的手臂和身體所成的夾角等等，就可以方便地解決這些問題。
由此，需要研發(fā)一種輔助工具，使其能夠準(zhǔn)確又便利地測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)的參數(shù)。2016年12月15日，美國(guó)哈佛大學(xué)的Ryan L. Truby 和 Jennifer A. Lewis在Nature上發(fā)表了一篇題為“Printing soft matter in three dimensions”的綜述[1]，其中介紹了基于光和油墨的3D軟打印技術(shù)和所用的軟物質(zhì)，并強(qiáng)調(diào)了幾個(gè)新興應(yīng)用，這之中有一種軟傳感器，可以幫我們實(shí)現(xiàn)研究目標(biāo)。這種軟傳感器通常由可形變的導(dǎo)電材料組成，被附著或封裝在一個(gè)絕緣的、可拉伸的軟墊內(nèi)，而這些傳感器在拉伸或彎曲時(shí)其電阻、電容和衰減時(shí)間會(huì)隨之改變，可以作為應(yīng)變函數(shù)而測(cè)量，從而準(zhǔn)確地測(cè)量物體的形變速度、程度。嵌入式3D打印的自由形式允許快速制造復(fù)雜的軟傳感器，并避免常規(guī)成型和拉伸過程制成的軟傳感器通常會(huì)出現(xiàn)的分層問題。
然而，這些傳感器的一個(gè)缺點(diǎn)是它們的呈現(xiàn)滯后：在給定的應(yīng)變周期期間，導(dǎo)電粒子網(wǎng)絡(luò)的分解和重新形成之間存在時(shí)間滯后，通過將液態(tài)金屬（如共晶鎵銦，eGaIn）集成到軟感測(cè)架構(gòu)中可以克服遲滯所引起的局限。然而，eGaIn和其他液態(tài)金屬的高表面張力和復(fù)雜表面現(xiàn)象給打印帶來挑戰(zhàn)，因此人們正在嘗試開發(fā)更容易形成圖案的碳墨和離子導(dǎo)電溶液。這些最近已經(jīng)成功地封裝在高度可擴(kuò)展的彈性體基體中，并用于生產(chǎn)紡織品安裝的電容纖維傳感器。這需要一個(gè)經(jīng)過特別設(shè)計(jì)的多核打印頭，能夠打印由高度可拉伸的彈性體外殼間隔開的具有同心導(dǎo)電特性的長(zhǎng)絲（如圖1）。這些電容性光纖傳感器的電容，電阻和衰減時(shí)間則作為應(yīng)變函數(shù)而被測(cè)量。
圖1. 3D打印制造的導(dǎo)電長(zhǎng)絲[2]
如果要解決實(shí)際問題，如運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量以及床墊的參數(shù)測(cè)量，還需要合適的載體來固定軟傳感器，實(shí)際上，以Heddoko為代表的許多公司已經(jīng)將軟傳感器與布料進(jìn)行結(jié)合，這使得軟傳感器的固定問題得到解決，床墊上可以裝配有軟傳感器的特殊布料進(jìn)行測(cè)量，而運(yùn)動(dòng)員只需穿戴配有軟傳感器的衣物就可以對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，而這些配有傳感器的衣物并不會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)造成的影響則可以忽略不計(jì)。
圖2. Heddoko公司研發(fā)的智能緊身運(yùn)動(dòng)服
圖3, Heddoko公司研發(fā)的智能緊身運(yùn)動(dòng)服配套的參數(shù)顯示app
3D軟打印技術(shù)制造的軟傳感器最大的好處就是在于其柔軟的特性為人們提供最自然的測(cè)試條件，記錄最準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，然而，由于材料和設(shè)備價(jià)格不菲，這項(xiàng)技術(shù)目前只適用于小眾人群和定制服務(wù)，并不能普遍推廣，但這些問題會(huì)隨著時(shí)間的推移而改善，軟傳感器仍然是改變?nèi)梭w工程學(xué)和人體運(yùn)動(dòng)學(xué)領(lǐng)域最有前景的方法，在未來改變?nèi)祟惖纳罘绞揭参磭L沒有可能！