综述：通过可穿戴传感器实现非演播室环境下的动作捕捉

《Journal of the Indian Chemical Society》：Towards out-of-studio motion capture through wearable sensors

可穿戴传感器技术近年快速发展，显著提升了健康监测、运动分析、康复治疗和表演艺术等领域的人体运动捕捉能力。传统惯性测量单元（IMU）存在功耗高、需频繁校准和形态刚性等缺陷，而基于压阻、电容、压电、电化学、三阻电及湿润电学原理的新型传感器通过柔性基底与智能纺织品集成，实现了低功耗、自供能和自适应形变优势。本文系统比较了六类传感机制的能量效率与性能指标，深入剖析其在健康管理（如非侵入式生理信号追踪）、运动分析（如纳米纤维触觉传感器）、康复治疗（如自供电多孔聚合物传感器）和艺术表演（如纺织集成拉伸传感器）四大场景的适用性及现存挑战，并针对材料创新（如MXene复合材料）、电路设计（如源关闭晶体管）和标准化协议缺失等问题提出未来研究方向。

　　近年来，可穿戴传感器技术经历了快速的发展，极大地改变了人类运动监测的方式。这项技术不仅在健康诊断、体育分析、康复治疗和表演艺术等领域得到广泛应用，而且其发展也推动了对运动模式的深入理解。与传统的运动捕捉系统相比，如惯性测量单元（IMUs），可穿戴传感器技术提供了一种更加灵活、节能和符合人体工学的解决方案。传统的运动捕捉系统往往存在高能耗、频繁校准和刚性结构等问题，限制了其在长时间佩戴和复杂应用场景中的使用。而新兴的可穿戴传感器则通过多种机制，如压阻式、电容式、压电式、电化学式、摩擦电式和湿电式等，克服了这些局限，实现了更高的精度和更长的使用寿命。

随着可穿戴传感器技术的不断进步，人们对这些设备的期望也在不断提升。如今，这些设备不仅能够监测动态运动，还能捕捉细微的静态姿势，为日常生活中的运动分析提供了新的可能。例如，在健康监测方面，可穿戴传感器可以用于远程心血管监测，帮助医生及时发现潜在的健康问题。而在康复治疗中，这些传感器可以用于评估患者的康复进展，提高治疗的效率和个性化程度。此外，可穿戴传感器在体育领域的应用也日益广泛，可以用于实时优化运动员的运动表现，帮助他们在训练和比赛中取得更好的成绩。

与此同时，可穿戴传感器技术在表演艺术中的应用也逐渐受到关注。例如，在舞蹈表演中，这些传感器可以用于捕捉复杂的动作，并通过增强现实技术提供实时反馈，帮助舞者更好地理解和改进他们的表演。此外，可穿戴传感器还可以与智能纺织品相结合，使服装具备监测和反馈功能，为艺术创作提供了新的可能性。这些技术的不断演进，不仅拓展了可穿戴传感器的应用范围，也推动了其在不同领域的深入研究和实际应用。

然而，尽管可穿戴传感器技术取得了显著进展，仍然存在一些关键挑战需要克服。例如，如何提高对微小运动的检测精度，如何在不同环境条件下保持传感器的稳定性，以及如何实现长期连续监测所需的低功耗设计。此外，传感器的耐用性也是一个重要问题，特别是在面对机械应力、汗水和湿气等环境因素时，如何确保传感器的长期使用性能。同时，可穿戴传感器的成本问题也不容忽视，特别是在资源有限的环境中，如何降低设备的制造和维护成本，以提高其普及率和可及性。

为了解决这些挑战，本文对当前的可穿戴传感器技术进行了全面的比较和分析，特别关注其能量消耗特性和实际应用潜力。首先，本文系统地比较了主要类型的可穿戴传感器，包括低功耗压阻式、电容式、压电式、电化学式、摩擦电式和湿电式传感器，分析了它们的内在能量需求，并突出了关键的材料创新。例如，最近开发的纳米条纹辅助摩擦电纳米发电机和自愈生物衍生电容性介质，展示了降低功耗和提高设备寿命的策略。其次，本文对这些传感器在四个代表性应用领域中的性能和局限性进行了严格评估。在日常健康监测中，我们探讨了机织全纺织传感器阵列用于无创生理信号追踪的应用，以及高分辨率鞋垫集成压力传感器用于步态分析的潜力。在体育分析领域，我们讨论了超薄纳米纤维触觉传感器和摩擦电鞋垫在捕捉快速、动态运动中的应用。在康复治疗中，我们重点介绍了自供电多孔聚合物传感器与机器学习相结合用于康复进展评估的应用，以及用于步态识别的运动感知网络。在艺术应用方面，我们评估了集成于纺织品中的伸缩传感器和基于碰撞的软体机器人系统在捕捉和增强复杂舞蹈动作中的潜力。

此外，本文还指出了未来研究的方向，包括在材料创新方面的进展，如开发高延展性和导电性的MXene复合材料和可降解摩擦电层，以及在电路设计方面的突破，如源极控制晶体管用于超轻、柔性电子设备。同时，本文强调了建立标准化协议的重要性，以实现与临床和移动健康系统的无缝数据整合。这些方向对于推动可穿戴运动监测技术的进一步发展至关重要，能够帮助研究人员和工程师优化设备的性能，使其更加符合用户的需求。

本文的独特贡献在于其对能量消耗和传感性能的跨领域比较，弥合了传感器机制基础与实际应用需求之间的差距。与以往的综述文章相比，本文不仅关注传感器技术本身，还对不同应用场景中的具体挑战和机遇进行了全面分析。通过将材料和设备工程的最新进展与各领域的实际需求和性能要求相结合，本文超越了简单的描述性总结，提供了具有批判性和实用性的见解。这些见解旨在指导研究人员、工程师和系统设计师在优化可穿戴传感器技术时，兼顾技术性能和用户友好性。

综上所述，可穿戴传感器技术的发展不仅带来了新的监测手段，也推动了跨学科的研究和应用。未来，随着材料科学、电子工程和人工智能等领域的不断进步，可穿戴传感器技术有望实现更高的精度、更长的使用寿命和更广泛的应用范围。然而，要实现这一目标，还需要克服一系列技术和工程上的挑战，包括提高对微小运动的检测能力、增强设备的耐用性、降低功耗以及建立标准化的协议。通过持续的研究和创新，可穿戴传感器技术将能够更好地满足人类在健康、运动、康复和艺术等领域的多样化需求，为未来的智能生活提供强有力的支持。