（三）结果

一般来说，可穿戴设备包括智能传感器、可穿戴材料、执行器、电源、无线通信模块和链接、控制和处理单元、用户界面、软件以及用于提取数据和做出决策的高级算法。因此，这些设备可以监测患者的生理信息，如体温、血压、相关压力，以及血液中气体、各种离子和生物分子的浓度。传统的刚性传感器装置因传统工艺制造方便而被广泛应用于可穿戴设备。因为其不容易与人体产生密切接触，故现有的刚性结构虽具有较高的电性，但是很难获得准确的生理信号，此外，还存在弯曲、拉伸或扭转变形时电性能恶化的问题。因此，可穿戴设备材料需要较强的变形能力，能够保持与皮肤的适形接触和机械稳定性才能长期使用。因此，智能传感器必须是超薄的、低模量的、轻的、高度柔韧的和可伸缩的，它常由柔性基底和嵌入导电电极组成。

1.可穿戴设备结构上的特点

为了制造满足这些要求的智能传感器，多种研究采用混合结构、混合材料、多维碳纳米纤维和纳米基电极。此外，电液（EHD）喷墨打印和三维（3D）打印方法被广泛用于制造高分辨率和高性能的电极。除了可穿戴设备的概念，传感器正迅速向可变形电子产品的新范式发展，传感器可穿戴到人体的各种部位。可穿戴传感器是可变形传感器中最复杂的一种形式，因为它涉及各种学科（如材料科学、电气和机械工程等）合作开发的最先进技术。衬底、基板和电极、活性材料是可穿戴传感器的重要组成部分。

（1）衬底。为了实现柔韧性，传感器使用了柔性衬底，如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚酰亚胺（PI）薄膜。PET薄膜具有良好的柔韧性（弯曲模量8314GPa，杨氏模量3511GPa）。然而，低的转变温度（Tg：100℃）不适合高温制备。PI薄膜具有良好的热稳定性（Tg：300℃），因为有很强的亚胺结合，所以可以高温制备。PI和PET（弯曲模量3919GPa，杨氏模量3720GPa）具有良好的柔韧性。碱性PI胶片呈黄褐色。然而，近年来，在透明器件和可穿戴传感器中已经开发出透明无色的PI薄膜。此外，也可利用纤维型PET衬底制作服装型传感器来充当可穿戴传感器。

（2）基板和电极。可延展和可穿戴传感器需要配合可延展的基板。在许多可穿戴传感器的研究中，硅基弹性体如聚二甲基硅氧烷（PDMS）和共聚酯（Ecoflex）被选为可拉伸基板材料，它们是由硅氧烷单体与铂催化剂聚合而成的。PDMS的杨氏模量为48MPa，延伸率为极限的420%，共聚酯的延伸率为极限的900%。这些弹性体在聚合物链上的摩擦力较低，因此具有良好的延展性能。除了硅基弹性体，聚对二甲苯由于其强度和中等柔韧性（杨氏模量4GPa）特质，也被用于制作可穿戴传感器的基板。此外，许多报道指出，聚对二甲苯具有生物相容性。

电极也是可穿戴传感器的重要部件。基板大多使用聚合物材料，但是电极需要具有高导电性，故使用金属材料。薄金属被用来制成柔性的连接结构，以增加延展性。纳米织物和液态金属可作为具有延展性的电极材料。液态金属在室温下表现出类似金属的导电性，但因其液态流动的性质，在应变下不会失效，因此可以实现高度延展的连接。(https://www.daowen.com)

（3）活性材料。可穿戴传感器有望在不远的将来以衣服、人体和皮肤附着或植入装置的形式发展。这些新的传感器将极大地提高便携性、灵敏度、选择性和信噪比。根据传感器的类型和用途，可选用多种材料作为可穿戴传感器的活性材料。应变或压力传感器使用应变敏感电阻或压电材料根据应变或压力改变电阻。化学传感器包括多种活性材料，主要以碳纳米管（CNT）或石墨烯、碳（C）作为活性材料，其具有良好的导电性，低成本大规模生产潜力大，化学稳定性和热稳定性高，加上固有的灵活性、易于化学功能化等特性，此类技术可以保持传感器的柔韧性和导电性，如用于人体活动和生理信号监测的电子皮肤（E-skin）。因具有优越的变形和保形特性，其在传感器检测各种电子、机械和生物信号时，灵敏度和准确性均有所提高，在健康监测中的可穿戴应用领域具有巨大的潜力。

在柔性/可拉伸电子器件的各种应用中，检测应变、压力和屈曲等机械特性对于从人体获得准确的运动或活动测量值非常重要。利用可穿戴传感器监测生理信号是柔性/可拉伸电子器件的关键应用之一。因碳和纳米纺织品的电子器件具有灵活性、可拉伸性等优秀性能，非常适用于人体运动检测和人体健康监测。目前已经报道了具有应变或压力传感的碳基可穿戴传感器，其通过使用各种微观结构设计、高导电和弹性导体（复合材料）或新的制造技术，灵敏度和响应时间有了显著改善。除了碳基材料的研究，电子纺织品（E-纺织品）也引起了工业界和学术界的关注，由于其独特性，如轻量、透气性、舒适性和耐穿性等，可以应用于可穿戴健康监测传感器、电子假体和电子皮肤。各种制造技术的发展，拓宽了这些材料的应用范围，如有机材料和机械稳定的无机材料也可以作为传感材料嵌入柔性/可拉伸电子纺织品中。随着可穿戴传感器阵列的智能化和主动矩阵的引入，基于碳/纺织传感器的健康监测系统将成为诊断和治疗目前临床应用之外的医疗状况的新方法。

2.可穿戴设备的交互特点

人体与机器人的交互控制在康复机器人中也很重要，特别是对于应用多模式的训练。利用可穿戴传感器实时监测生理和行为数据，可为我们提供健康生活方式的信息。这些可穿戴传感器通常附着在人体或物体上，与外部或主机计算机交互，提供有关人体生理状况的信息，如活动、压力、睡眠和血压。设计交互的控制方案时应采取按需辅助（AAN）策略，并通过识别人体运动意图来选择工作模式。人体皮肤表面肌电图（EMG）通过生物产生的信号，能准确、快速地反映使用者的运动意图，将检测到的肌电信号用于人机交互控制，使机器人以相应的模式引导或跟随人沿预定轨迹前进，采用融合神经网络的估计器来检测关节的力矩，将肌电信号转换为净转矩和关节刚度，设计最佳参考阻抗模型。其在康复训练过程中具有自我调节能力，适应患者需求。

这些智能传感器可实时监测健康状况，并将诊断结果传输到控制和处理单元。为了实现这一目标，有线和无线系统被广泛地应用于传输健康数据，以供后续诊断。无线系统是首选，因为有线系统会损害用户的移动性和舒适性，并增加发生传输故障的风险。无线系统的另一个优点是，它们可以实现远程医疗，如连续诊断和预约。最近有关可穿戴传感器的研究大多使用无线系统传输诊断数据。根据驱动原理，这些无线系统可以分为蓝牙、近距离无线通信技术（NFC）和共振天线系统。总有一天，这些可穿戴传感器将使我们能够通过智能手机实时监测人体的健康状况，并使远程医疗成为现实，包括注射药物和无线预约。