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可穿戴电/光子学新进展概述

来源:     作者:信息发布人员     发布时间:2020年12月28日     浏览次数:         

  在过去的几年中,集成机械灵活性和电子功能性的可穿戴电子设备经历了蓬勃发展。相对于传统的刚性电子学,可穿戴的柔性电子器件表现出独特可拉伸性,可以保形的接触皮肤,并且具有潜在的可植入性。为了推广刚性电子学的柔性应用,当前主要有三种手段:或减薄刚性层的厚度,或基于塑性互连将刚性功能层转移到柔性基板上,或使用本征柔性材料。在这方面,可穿戴电子设备能够更方便地实现相同的功能,从而改善人与设备之间的交互体验。

  除可穿戴电子设备外,具备光通信链路的可穿戴光子器件在可穿戴系统中带来额外的优势,例如超快的数据传输和无电磁干扰的高可靠性。可穿戴电子和光子器件已经很大程度上影响人类的生活方式,包括电子皮肤,生理和心理状况的监测和治疗(如药物输送)、环境监测和干预、柔性显示器、软机器人、假肢、超快速数据通信、人机交互等等。

  1.物联网和5G应用

  在物联网和5G时代,广泛分布的可穿戴电/光设备将具有无线互联能力和超快的数据交换速率,在实时通信的加持下给人类提供相关信息并给周围环境以指令。

  通过将人体周围的众多可穿戴电子设备进行融合,研究人员提出了人体区域传感器网络(bodyNET)的概念,旨在将其应用于个性化医疗保健和多功能机器人技术中。在某些特定的工作环境下,例如可植入设备和关键的安全/监控,独立且可持续地运行的可穿戴电/光子设备亟待呗开发。当前的能源系统,即电池,通常占用大量空间,重量重,刚性大,使用寿命有限,因此在IOT和5G时代迫切需要一种更具可持续性的解决方案。得益于能量收集和存储技术的快速发展,配备了这些先进技术的系统正受到越来越多的关注。一般而言,基于压电,摩擦电,热电和光伏的能量收集器以及自供电(即自发电)的传感/执行器与可穿戴电子设备具有出色的兼容性,因此被广泛采用。

  2.人工智能应用

  新兴的人工智能与功能电子技术的融合将穿戴系统拓展到智能系统,该领域可以借助机器学习辅助算法进行检测,分析和决策。此外,受益于5G网络,感测数据的获取速率能够满足大数据分析和AI的要求。基于AI和的IoT的先进整合(AI﹢IOT)也已经出现。

  将可穿戴电/光设备与AIoT结合时,可穿戴系统能够对采集的数据集(训练集)进行更复杂,更全面的分析。该训练模型可用于预测新输入数据的类型,调节对应的触发事件。预测的准确性可以通过选择合适的算法,调整算法参数,以及融合来自各种传感器的不同类型的数据来提高。这样的智能系统可以变革传感和交互方式,在高级身份识别、个性化医疗保健和治疗、智能家居/办公室/楼宇、智能物联网、虚拟现实(VR)中的加密交互以及增强现实(AR)环境等等。

  3.下一代可穿戴电/光设备与系统的方向

  下一代可穿戴电/光设备与系统将继续朝着多功能性,自持性和更高智能性发展。首先,系统的集成度需要进一步提升,使用柔性/可拉伸传感器网络(也称为电子皮肤或机械感测电子设备)来模拟人体皮肤的体感系统,可以检测和量化多种外部刺激,包括但不限于限于压力、应变、温度、湿度,光线等。此外,可穿戴式光电显示器和光子通信/传感模块可以进一步集成,以实现完整的监控系统,并具有易于可视化,高数据传输率和无EMI无线通信的功能。

  除了向多功能性发展之外,能源始终是现代电子系统中不可避免的瓶颈之一。为了实现使用传统电池作为电源难以实现的长期功能,为了将能量收集和存储单元集成到可穿戴系统中,可以通过不同的换能机制有效地捕获周围环境中的可用能量,例如接触、振动,热和光等。通过压电、摩擦电、热电、热电、光伏效应等,捕获的环境能量被转换为有用的电能并存储在集成存储单元中,以使可穿戴系统连续运行。

  即便使用混合能量收集机制,当前能量收集器的实际平均功率仍不能令人满意地。当前大多数自我可持续系统的常见情况是,能量收集单元需要工作相对较长的时间,以在短期内支持整个系统的运行。因此需要不断提高各种机制的能量收集性能和效率,以实现具有实时和连续功能的真正自我可持续的可穿戴系统。

  值得注意的是,人工智能和可穿戴电/光设备的蓬勃发展推动了智能可穿戴系统的出现,并在个性化医疗保健监测和治疗,身份识别,智能化等方面具有广泛的应用。在数据分析过程中,得益于新颖的机器学习算法,智能系统能够从复杂多样的感官信号中自动提取具有内部关系的关键特征。通过将特定的功能系统与适当的机器学习模型进行匹配,可以提取出更全面的信息,以便以后进行身份识别和决策,从而打造出高度智能的可穿戴系统。

  (国防科技信息网和新浪科技)