用于增强现实辅助皮肤界面监测的无线无电池多轴传感器系统

《npj Flexible Electronics》：Wireless, battery-free multi-axial sensor for augmented reality-assisted monitoring at skin interfaces

本刊推荐一项创新研究：为解决现有可穿戴传感器在医疗增强现实(AR)应用中存在的刚性笨重、无法同时监测多维度力学信号的问题，研究人员开发了一种基于近场通信(NFC)的无线无电池多轴传感器。该系统通过四个悬臂梁应变计组合信号解析压力、剪切应力与温度，结合深度学习(DNN)校准和AR可视化技术，在轮椅坐姿监测和卧床压力损伤预防等场景中验证了其精准监测能力。这项研究为个性化医疗提供了兼具机械柔性与多模态感知的智能诊疗平台。

　　

在医疗技术飞速发展的今天，增强现实(AR)技术正逐步改变着医疗专业人员的手术、康复和诊断方式。通过智能设备将虚拟信息叠加到真实视野中，AR为医护人员提供了更直观的数据解读体验。然而，当前与AR平台集成的可穿戴传感器大多专注于人机交互体验，且普遍存在刚性笨重的问题，难以舒适地贴合患者皮肤界面进行长期监测。更关键的是，能够同时测量压力、剪切应力和温度的无线传感器开发面临重大挑战——既要集成电池free无线技术(如近场通信NFC)，又要满足轻薄小巧的外形要求并保证机械鲁棒性。

针对这一技术瓶颈，韩国科学技术院(KAIST)Inkyu Park团队在《npj Flexible Electronics》发表了一项突破性研究。他们开发出一种无线无电池多轴传感器系统，通过与AR平台集成，实现了对皮肤界面力学参数的直观监测。该传感器的核心创新在于模仿人体皮肤中的 cutaneous receptors（皮肤感受器）工作机制：如同皮肤中的 mechanoreceptors（机械感受器）感知压力与剪切应力，thermoreceptors（温度感受器）感知温度一般，该传感器通过四个三层结构悬臂梁应变计(PI/Au/PI)的组合信号来解析外力矢量。当外力作用于传感器时，悬臂梁发生形变引起电阻变化(ΔR/R₀)，通过公式F_Z=(ΔR₁+ΔR₂+ΔR₃+ΔR₄)/C₁计算压力，通过F_X=(ΔR₃-ΔR₂)/C₂和F_Y=(ΔR₁-ΔR₄)/C₂计算剪切应力分量。

研究团队采用多项关键技术：基于NFC ISO 15693协议的无线通信系统实现13.56 MHz频率的功率传输与数据传输；深度学习神经网络(DNN)模型处理四通道传感器信号进行XYZ轴力校准；有限元分析(FEA)优化悬臂梁结构设计；UV激光微加工制备柔性电路板(fPCB)和传感器元件。临床验证招募34岁和27岁两名健康受试者，通过机构审查委员会(IRB)批准。

研究概述与设备设计

传感器系统包含NFC系统级芯片(SoC)、多路复用器(MUX)和放大器(AMP)等微型电子元件，封装尺寸仅8×8×1.9 mm3。通过聚二甲基硅氧烷(PDMS)封装确保汗液防护和机械柔韧性，配合蛇形走线设计使传感器能够承受拉伸、扭曲和弯曲。

多轴传感器的设计特性

悬臂梁应变计采用玻璃基底微腔结构，金图案间距5μm。传感器结构包含顶部刚性盖板(PMMA)、中间软质覆盖层(PDMS)和底部刚性基板(硅片)，这种设计使其对外界弯曲不敏感。有限元分析显示，在10 kPa压力和10 kPa剪切应力作用下，四个悬臂梁协同变形，有效区分合力方向与大小。

多轴传感器的性能特征

实验表明，悬臂梁长度从0.6 mm增加至1.2 mm时，压力灵敏度从4.6×10^-5kPa^-1提升至1.35×10^-4kPa^-1。剪切应力灵敏度达2.42×10^-4kPa^-1。在30 kPa压力与10 kPa剪切应力复合加载下，传感器能清晰识别力矢量方向性。漂移测试显示全量程范围内漂移率仅0.09%，循环加载测试超过1000次。

无线无电池多轴传感器的性能特征

DNN校准模型采用六隐藏层结构，包含批归一化层、全连接层和LeakyReLU激活函数，XYZ轴预测误差分别为2.9%、3.4%和3.8%。无线传输实验显示传感器在45 kPa压力加载下线性度R2达0.995，滞后可忽略不计。

基于无线设备的坐姿监测

在轮椅场景中，六组传感器分别贴附于受试者肩胛骨(传感器1-4)、下背部(传感器5)和骶骨(传感器6)。通过监测五种坐姿(正常、前倾、后仰、左侧坐、右侧坐)下的压力与剪切应力变化，DNN分类模型实现98.2%平均准确率。特别在侧坐姿势时，压力在左右肩胛骨间呈现明显转移特征。

增强现实辅助监测系统

AR系统采用XREAL Air 2 Ultra眼镜和智能手机组合，通过标记物实现坐标系配准。在手腕验证实验中，传感器成功监测不同运动方向下的三维力矢量。在卧床监测场景中，三组传感器实时显示仰卧位、右侧卧位和左侧卧位时骨突部位压力分布变化。当受试者从仰卧位转向右侧卧位时，右肩胛骨剪切应力(X轴)从0 kPa增至3.04 kPa，左肩胛骨因产生气隙压力降为0 kPa。

研究结论表明，这种无线AR集成传感平台为医护人员提供了直观的多维度触觉感知数据可视化方案，有效支持压力损伤预防、椎间盘突出预防等医疗应用。尽管当前系统在实时数据同步和复杂形体贴合方面仍需优化，但这项技术为个性化医疗、康复训练和远程诊疗开辟了新途径。未来通过临床数据积累和AI预测模型开发，这种传感器-AR集成系统有望在医疗人员短缺的背景下显著提升诊疗效率。

该研究的核心意义在于首次实现了无线无电池多轴传感与AR系统的完整技术闭环，通过模仿人体皮肤感知机制，为医疗监测提供了兼具生物相容性、多模态感知和直观交互的创新解决方案。这种技术框架不仅适用于压力损伤预防，更可扩展至假肢接口优化、神经损伤预防等广阔医疗场景，标志着柔性电子与智能医疗融合的重要突破。