近期，北京航空航天大学王党校教授课题组报道了一种感驱一体的电子皮肤技术，通过采用多层柔性封装工艺，实现了充分柔顺和粘附力条件下的 FPCB 电子传感支持电路以及振动器和电源等元件的传感驱动一体化封装，达到了对人体颈椎姿态 4 个方向实时监测与触觉矫正的目标。相关成果以“A skin-integrated device for neck posture monitoring and correction”为题发表在 Microsystems & Nanoengineering。
Citation:
Luo, H., Jin, T. H., Zhang, Y., Tian, B. H., Zhang, Y. R., Wang, D. X. A skin-integrated device for neck posture monitoring and correction. Microsyst Nanoeng 9, 150 (2023).
1. 研究背景
颈椎病是现代社会的常见疾病，常常由于阅读书籍、使用电脑或智能手机等活动导致长期不正常的颈椎曲度而引起。 目前针对这种现象，学术界提出的常规方法是使用摄像头进行光学检测或者将惯性导航传感器绑定在额头、 耳部等位置对用户颈椎姿态进行监测。通过将
感知数据发送给医生或通过手机、 计算机等设备的视觉和听觉反馈提示用户，进而纠正颈椎姿态。 本文探讨了以电子皮肤的形式构建可无连接线的皮肤一体化设备， 以研究通过颈椎姿态监测和触觉反馈纠正颈部姿势的可能性。提出的电子皮肤采用多层结构，将所有柔性电子电路和组件集成到紧凑的皮肤空间中，同时无需外部线路连接，并能够与皮肤完全贴合。电子皮肤中的加速度计贴附于颈部， 编码颈部俯仰±α和侧摆±β的四个方向校正信号， 用于姿势感知，四个振动执行器紧贴颈部皮肤，提供局部的触觉振动刺激。 为了确保在颈部运动过程中颈部姿势感知和触觉振动反馈的可靠性， 需要防止电子皮肤设备与颈部皮肤之间产生滑移。因此，提出了一种基于空心结构的电子皮肤贴附方法，能够稳定地将电子皮肤固定在颈部皮肤上。用户研究验证了该设备在使用智能手机、阅读书籍和处理计算机文件等活动中感知和纠正不同异常颈部姿势的性能（图 1）。
图 1 贴附于人体颈部用于颈椎姿态方向监测与振动触觉矫正的电子皮肤装置
2. 研究进展
电子皮肤主要分为三层（图 2） ， 包括可更换粘贴材料的硅胶底层（支持层），提供传感与振动触觉的功能层（FPCB），以及顶层（封装层） 。 通过对 FPCB 传感与驱动优化布局、 柔性电子线路设计优化、 变厚度参数的硅胶浇筑工艺的方案探索、 特殊的中空结构的皮肤粘附
方案的设计以及基于人体颈椎生理结构 C7 的电子皮肤安装方式的研究， 使得电子皮肤装置贴附人体脖颈的随动性、 颈椎位姿测量的准确性以及颈椎位姿多方向位矫正的有效性得到保证。
图 2 电子皮肤装置结构
为了验证电子皮肤装置的位姿测量精度、 柔顺机械性能、 粘附强度以及振动触觉独立性，本研究搭建了相应的实验平台， 并获得了量化验证数据（图 3，图 4） 。 电子皮肤能够保证的颈椎位姿测量精度为俯仰角 = 1.37° 以及测摆角 = 1.14°， 电子皮肤可弯曲曲率半径＞31.43mm（人体脖颈曲率半径约为 50.92 mm），可拉伸形变率＞ 38.6%（人体脖颈皮肤拉伸率约为22.7%）；将电子皮肤贴附于脖颈以及手背皮肤，分别测得最大粘性力为 7.3N 和 8.1N；对编码颈椎方位的电子皮肤的振动触觉点位的正确识别率＞ 97.5%（图 4） 。 同时， 用户穿戴电子皮肤后完成颈椎俯仰测摆 60 次周期运动后，没有可见的位移出现， 在用户整日佩戴后，测量精度和振动触觉性能不受影响。
图 3 电子皮肤测量精度、机械性能、粘附强度
图 4 电子皮肤柔顺性与振动触觉独立性
3. 未来展望
为了验证电子皮肤装置在典型生活场景中监测并矫正人体颈椎姿态的效果，本文分别在操作手机、 阅读学习以及计算机办公三种典型情况下进行了测试（图 5）。结果表明，电子皮肤能够实时监测用户的颈椎姿态并依照矫正策略进行触觉矫正干预，达到了 100%的矫正率。因此， 该电子皮肤设备为日常颈椎病的预防和康复创造可能。
图 5 电子皮肤的应用实效
4. 作者简介
王党校，北京航空航天大学机械工程与自动化学院教授、 虚拟现实技术与系统全国重点实验室副主任， 曾任 IEEE 触觉技术委员会主席，触觉领域权威期刊 IEEE Trans. on Haptics编委（Associate Editor） 。主要研究领域为机器触觉、人体触觉学、脑机交互、医疗康复机器
人技术， 研究成果获教育部技术发明一等奖一项、中国电子学会科技进步一等奖等。 在 IEEE Transactions on Haptics、 IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics、 IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement、 Microsystems & Nanoengineering 等期刊上累计发表多篇 SCI 论文。
