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中山大學(xué)吳進(jìn)/西北工業(yè)大學(xué)陶凱 AM：基于高性能水凝膠傳感的多模態(tài)高精度人機(jī)交互系統(tǒng)并應(yīng)用于主動(dòng)康復(fù)

2023-12-22 來(lái)源：高分子科技

腦卒中是威脅人類健康的全球性腦血管疾病之一，大多數(shù)幸存者由于神經(jīng)傳遞通路受損，會(huì)留下不同程度的肢體活動(dòng)障礙，嚴(yán)重影響其正常生活。幸運(yùn)的是，長(zhǎng)期和重復(fù)的運(yùn)動(dòng)被認(rèn)為是一種有效的策略，可以通過(guò)逐漸加強(qiáng)偏癱區(qū)域的肌肉活動(dòng)來(lái)改善病情，從而使患者最終康復(fù)。而傳統(tǒng)的被動(dòng)康復(fù)方法需要訓(xùn)練有素的醫(yī)務(wù)人員，費(fèi)用昂貴且供不應(yīng)求，特別是在COVID-19大流行期間。因此，人們提出了各種外骨骼康復(fù)機(jī)器人來(lái)輔助患者進(jìn)行重復(fù)性運(yùn)動(dòng)，與手動(dòng)模式相比，可以更好地保證在長(zhǎng)期康復(fù)訓(xùn)練中對(duì)每次重復(fù)性運(yùn)動(dòng)的頻率和強(qiáng)度進(jìn)行精確控制，從而在醫(yī)院得到廣泛應(yīng)用。然而，被動(dòng)康復(fù)的效果較差，因?yàn)闊o(wú)法形成從意圖到執(zhí)行的封閉神經(jīng)回路。近年來(lái)，主動(dòng)康復(fù)策略被提出，將康復(fù)機(jī)器人與先進(jìn)的人機(jī)交互(HMI)技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)預(yù)先獲取患者的運(yùn)動(dòng)意圖，使患者主動(dòng)參與康復(fù)訓(xùn)練。對(duì)于主動(dòng)康復(fù)，其基礎(chǔ)是通過(guò)精確和靈活的傳感器實(shí)時(shí)采集人體肌肉運(yùn)動(dòng)信號(hào)。

研究人員已經(jīng)證明，通過(guò)將表皮電極應(yīng)用于特定身體部位的表皮，肌電圖(EMG)和腦電圖(EEG)等電生理信號(hào)可用于識(shí)別人體運(yùn)動(dòng)意圖。與EEG相比，EMG信號(hào)更容易采集和處理，更適合用于主動(dòng)康復(fù)。而基于EMG信號(hào)的人體運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別還存在兩個(gè)主要挑戰(zhàn)。一是由于運(yùn)動(dòng)偽影的存在，高信噪比的表面EMG信號(hào)的采集很困難。用于采集EMG信號(hào)的表皮電極需要高導(dǎo)電性，并與皮膚緊密保形接觸，以實(shí)現(xiàn)低電極-皮膚界面阻抗，這是獲取高質(zhì)量EMG信號(hào)的關(guān)鍵。二是從單通道EMG信號(hào)中提取的特征變量不足以有效區(qū)分多個(gè)動(dòng)作，導(dǎo)致識(shí)別準(zhǔn)確率較低。而又因?yàn)?/span>EMG在體表以電信號(hào)的形式傳播，故而多通道的EMG人機(jī)交互系統(tǒng)的不同通道之間的信號(hào)存在較大冗余，故而提高通道數(shù)量對(duì)于準(zhǔn)確率的提升有限。除了EMG信號(hào)外，肌力圖(FMG)是另一種重要的肌肉活動(dòng)信號(hào)，是比EMG信號(hào)更平穩(wěn)的信號(hào)。集成來(lái)自同一肌肉區(qū)域的EMG信號(hào)和FMG信號(hào)的人機(jī)界面有可能提高人機(jī)交互的效率和準(zhǔn)確性。

具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的富水凝膠具有類似皮膚的機(jī)械性能、導(dǎo)電性、生物相容性、低成本和多刺激響應(yīng)性，使其成為人機(jī)界面中有希望的柔性傳感材料。在制備表皮電極時(shí)，尤其需要對(duì)水凝膠的粘附性能進(jìn)行優(yōu)化，以期在發(fā)生出汗的情況下，也能在水凝膠與生物皮膚之間構(gòu)建一個(gè)無(wú)縫、適形、長(zhǎng)期穩(wěn)定的界面。一般來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)中引入粘合成分和官能團(tuán)來(lái)增強(qiáng)水凝膠的自粘性。受水生生物的啟發(fā)，在水凝膠中引入富含兒茶酚基團(tuán)的物質(zhì)將是在水環(huán)境中實(shí)現(xiàn)粘附的有效策略，并且水凝膠有望長(zhǎng)時(shí)間粘附在皮膚表面。此外，用一般的水凝膠監(jiān)測(cè)微小的FMG信號(hào)是極具挑戰(zhàn)性的。這是由于在沒(méi)有其他機(jī)制參與的情況下，固體水凝膠在小變形下離子傳輸途徑的變化可以忽略不計(jì)，從而導(dǎo)致壓力響應(yīng)性差。因此迫切需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)更高性能的水凝膠壓力傳感器。同時(shí)，對(duì)于人機(jī)界面的信號(hào)處理和傳輸模塊，還需要設(shè)計(jì)一種小尺寸、低功耗的柔性印刷電路板(FPCB)，將包括傳感器在內(nèi)的各種電子元件集成在柔性基板上，以保證整個(gè)人機(jī)交互系統(tǒng)的可穿戴性。

為了解決這些挑戰(zhàn)，中山大學(xué)吳進(jìn)團(tuán)隊(duì)和西北工業(yè)大學(xué)陶凱團(tuán)隊(duì)在前期水凝膠柔性智能傳感器的系列研究工作的基礎(chǔ)上（Nature Communication 2023, 14, 5221; Advanced Functional Materials 2023, 33，2300046； Advanced Functional Materials 2023, 2308280；ACS Nano 2023, 17，16160；Nano-Micro Letters 2022, 14, 52；Nano-Micro Letters 2022, 14，183；Advanced Science 2022, 9，2104168；Nano-Micro Letters 2023, 15, 136；Advanced Science 2023, 10, 2205632；SmartMat 2023，4，e1141；SmartMat 2023, 4, e1147），合作開(kāi)發(fā)出一種智能康復(fù)HMI系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了多模態(tài)傳感模塊和人工智能(AI)算法，實(shí)現(xiàn)了高精度的動(dòng)作意圖解碼，以驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的操作。該多模態(tài)傳感模塊由高導(dǎo)電性、可拉伸性、自粘性和生物相容性的單寧酸(TA)改性聚丙烯酰胺(PAM)水凝膠基表皮電極和基于大孔水凝膠結(jié)構(gòu)(Foam-PAM)的高靈敏度壓力傳感器組成。同時(shí)，設(shè)計(jì)了靈活、小尺寸、輕量化的FPCB，用于后續(xù)的信號(hào)調(diào)理、處理和無(wú)線傳輸，與傳感器模塊形成理想的可穿戴HMI接口，并將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器。服務(wù)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行分割、特征提取、AI算法分類識(shí)別，提取運(yùn)動(dòng)意圖，形成相應(yīng)的控制命令。與傳統(tǒng)的多通道EMG信號(hào)相比，基于EMG信號(hào)和FMG信號(hào)聯(lián)合的多模態(tài)人機(jī)交互方法通過(guò)增加交互信號(hào)的信息熵，顯著提高了人機(jī)交互效率。對(duì)于不同手勢(shì)，單通道交互信號(hào)的解碼準(zhǔn)確率達(dá)到91.28%，遠(yuǎn)高于Double-EMG模型的解碼準(zhǔn)確率(48.89%)。進(jìn)一步應(yīng)用開(kāi)發(fā)的智能人機(jī)界面系統(tǒng)控制機(jī)器人手套，實(shí)現(xiàn)人類主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意圖參與的主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。此外，還演示了該系統(tǒng)對(duì)機(jī)械手、智能汽車、無(wú)人機(jī)等其他遙感平臺(tái)的手勢(shì)控制。本工為下一代多模態(tài)自然人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了一種新的、簡(jiǎn)單的策略，實(shí)現(xiàn)了一種更加智能、高效、便捷的交互方式。相關(guān)工作以“High-Performance Hydrogel Sensors Enabled Multimodal and Accurate Human–Machine Interaction System for Active Rehabilitation”為題發(fā)表在Advanced Materials上。通訊作者為中山大學(xué)吳進(jìn)副教授和西北工業(yè)大學(xué)陶凱副教授。第一作者為中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院博士生王浩和丁瓊玲。

圖1. 可穿戴人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。(a)基于水凝膠的EMG和壓力傳感器支持的可穿戴HMI界面和相應(yīng)的AI輔助智能主動(dòng)康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)示意圖，在人機(jī)應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景。(b)自行設(shè)計(jì)的FPCB多層結(jié)構(gòu)示意圖。(c)顯示FPCB與人體皮膚彎曲和保形接觸的照片(i)HMI的正面圖(ii)和傳感器在HMI上的分布(iii)。(d) NaCl-TA-PAM水凝膠和(e) Foam-PAM水凝膠的制備策略示意圖。

圖2. 水凝膠傳感材料的表征。(a)上圖:剝離力試驗(yàn)示意圖;下圖為PAM、TA-PAM和NaCl-TA-PAM水凝膠在不同基質(zhì)上粘附時(shí)的剝離力與位移曲線。(b)上圖:照片顯示NaCl-TA-PAM水凝膠(用紅色圓圈標(biāo)出)牢固地粘附在各種材料上:金屬、塑料和玻璃。下圖為NaCl-TA-PAM水凝膠在不同基質(zhì)上的粘附強(qiáng)度。(c) NaCl-TA-PAM水凝膠的水下粘附。(d) NaCl-TA-PAM水凝膠粘附在人皮膚和濕潤(rùn)的豬皮上的照片，以及NaCl-TA-PAM水凝膠與豬皮無(wú)縫共形接觸的顯微鏡照片。(e) TA-PAM水凝膠、NaCl-TA-PAM水凝膠和商用電極的阻抗比較。(f) Form-PAM水凝膠的照片和光學(xué)顯微鏡圖像。(g)原始PAM(左)和Form-PAM(右)水凝膠的SEM圖像。

圖3. NaCl-TA-PAM水凝膠和Foam-PAM的傳感性能表征。(a) ECG、EMG、EOG檢測(cè)的電極附著位置。NaCl-TA-PAM水凝膠采集的(b)EMG信號(hào)和(c)EOG信號(hào)波形。(d)商用電極和NaCl-TA-PAM水凝膠采集的心電信號(hào)波形。(e)商用電極與NaCl-TA-PAM水凝膠獲得的心電信號(hào)的峰峰值和信噪比比較。(f)實(shí)時(shí)阻力隨細(xì)微壓力的變化而變化。(g)阻力對(duì)壓力的響應(yīng)。(h) Foam-PAM水凝膠壓力傳感器的傳感機(jī)理示意圖，包括施加壓力后由于孔隙逐漸閉合導(dǎo)致的導(dǎo)電路徑縮短和導(dǎo)電通道增加。(i)加壓前(左)和加壓后(右) Foam-PAM水凝膠的光學(xué)顯微圖像。(j)傳感器響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間快。(k)傳感器在不同頻率(0.2、0.4、0.8、1.6 Hz)下對(duì)285 Pa壓力的電阻響應(yīng)。(l) 300 Pa壓力下300次循環(huán)的動(dòng)態(tài)電阻變化。(m)最先進(jìn)的基于水凝膠的壓力傳感器在靈敏度、響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間和LOD方面的能力雷達(dá)圖。

圖4. 人工智能輔助的行為意圖識(shí)別。(a)不同動(dòng)作意圖(手勢(shì)拳、ok、一、三、五從上到下)下的EMG和FMG信號(hào)。(b)動(dòng)作意圖解碼精度算法流程圖。使用各種算法對(duì)從人機(jī)界面?zhèn)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分割、特征提取、分類和識(shí)別。(c)EMG模型與EMG-FMG模型PCA圖比較。(d)EMG模型與Double-EMG模型PCA圖比較。(e) )EMG模型與EMG-FMG模型動(dòng)作意圖解碼預(yù)測(cè)概率分布的比較。(f) EMG模型與Double-EMG模型解碼的動(dòng)作意圖預(yù)測(cè)概率分布的比較。(g) EMG模型、EMG-FMG模型、Double-EMG模型動(dòng)作意圖解碼準(zhǔn)確率的比較。

圖5. 主動(dòng)康復(fù)等應(yīng)用人機(jī)交互系統(tǒng)建設(shè)與示范。(a)用于主動(dòng)康復(fù)或其他HMI應(yīng)用的閉環(huán)可穿戴HMI系統(tǒng)工作流程圖。(b)照片顯示，所使用的康復(fù)手套可以輔助手在人類動(dòng)作意圖的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，表明該系統(tǒng)在主動(dòng)康復(fù)中的可行性。(c) EMG-PP與握力的關(guān)系。(d)示范遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)信號(hào)。HMI接口采集的信號(hào)可以直接上傳到云端，讓醫(yī)生遠(yuǎn)程診斷，并為患者下一步的康復(fù)治療提供建議。

論文信息：H. Wang, Q. Ding, Y. Luo, Z. Wu, J. Yu, H. Chen, Y. Zhou, H. Zhang, K. Tao*, X. Chen, J. Fu, J. Wu*, High-Performance Hydrogel Sensors Enabled Multimodal and Accurate Human-Machine Interaction System for Active Rehabilitation. Adv. Mater. 2023,2309868.

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202309868

下載：High-Performance Hydrogel Sensors Enabled Multimodal and Accurate Human-Machine Interaction System for Active Rehabilitation

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（責(zé)任編輯：xu）

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