頸椎病是一種通常由于長期看書、使用電腦或智能手機等活動導致頸椎曲度異常所引起的常見疾病。幸運的是，臨床實踐表明，早期異常的頸椎曲度可以通過頸椎姿勢監(jiān)測和治療干預來矯正，而且這個過程越早開始越有效。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，北京航空航天大學王黨校教授領導的團隊在Microsystems & Nanoengineering期刊上發(fā)表了以“A skin-integrated device for neck posture monitoring and correction”為題的論文，構建了一種采用電子皮膚（e-skin）外形和結構的不受束縛的皮膚集成設備，以監(jiān)測和觸覺矯正頸部姿勢。所提出的設計采用多層結構，該結構將所有柔性電子電路和組件集成到緊湊的電子皮膚中，同時不受束縛且與皮膚保形。電子皮膚中的加速度傳感器附著在頸部以進行姿勢傳感，四個振動執(zhí)行器緊密接觸頸部皮膚以提供局部振動觸覺刺激，編碼頸部前屈±α和側向彎曲±β的四向矯正反饋。

為了確保頸部運動過程中姿勢傳感和振動觸覺呈現(xiàn)的可靠性，需要防止電子皮膚設備發(fā)生移位。為此，研究人員采用基于中空結構的方法將電子皮膚穩(wěn)定地附著于頸部皮膚。實驗驗證了電子皮膚設備在頸部姿勢運動過程中的傳感精度、皮膚適形性、粘性、穩(wěn)定性和有效性，包括其對局部四向振動觸覺反饋的識別能力。一項用戶研究驗證了該設備在使用智能手機、讀書和處理計算機文件等活動期間感知和矯正不同異常頸部姿勢的性能。所提出的電子皮膚設備有望為更便捷的頸椎病預防和康復創(chuàng)造機會。

根據(jù)對姿勢和頭部位置對頸椎造成的應力的醫(yī)學評估，對頸部最有利的位置是當耳朵與肩膀?qū)R時的狀態(tài)。這種適當?shù)膶R可以減少頸部的脊椎應力。因此，如圖1a、1b所示，目前構建的電子皮膚設備采用一個加速度傳感器和四個局部方向編碼振動執(zhí)行器，旨在從四個角度方向（頸部前屈的俯仰±α和側向彎曲±β）監(jiān)測和矯正頸部姿勢，以保持正常的健康姿勢狀態(tài)。

圖1 電子皮膚設備的架構、使用場景和設計參數(shù)

研究人員將所有電子組件（包括傳感器、驅(qū)動器、執(zhí)行器、控制器、無線通信模塊和電源單元）集成到一個緊湊的電子皮膚中。然后，他們優(yōu)化了柔性印刷電路（FPC）薄膜上芯片和蛇形連接線的布局，使其尺寸為32?mm?×?24?mm。四個用于方向矯正的振動執(zhí)行器放置在FPC薄膜的四條邊上的位置，盡可能保持距離，以避免執(zhí)行器和FPC薄膜之間的相互振動干擾，如圖1c所示。

為了將所有部件和組件封裝到電子皮膚中，研究人員采用了硅膠澆鑄工藝進行封裝。然而，芯片和組件的厚度尺寸各不相同，統(tǒng)一的電子皮膚厚度尺寸取決于最厚的組件。為了解決這個問題，研究人員采用了多層澆注方法，根據(jù)元件厚度尺寸不同的情況澆鑄硅膠封裝層，如圖1e、1f所示。

在重復使用和頸部運動期間，將電子皮膚穩(wěn)定固定在頸部上的粘性方案是至關重要的。硅膠封裝的電子皮膚最初在貼附時是粘性的，但隨著時間的推移，由于積聚的灰塵和用戶的汗水，這種粘性會降低。為了解決這個問題，研究人員采用了粘性強、親膚的醫(yī)用雙面膠帶；最重要的是，它也是可更換的。最后，研究人員將可更換的醫(yī)用雙面膠帶粘貼到中空結構中執(zhí)行器的裸露金屬表面上（見圖1f），并將電子皮膚附著于頸部（見圖1d、1g）。

研究人員制造了電子皮膚設備并對其各項性能進行了測試和驗證，如圖2和圖3所示。

圖2 角度傳感、機械性能和粘性以及振動觸覺刺激定位的驗證

圖3 電子皮膚在頸部運動中的穩(wěn)定性和粘性，以及識別局部振動觸覺刺激的正確率

研究人員開展了一項用戶研究，旨在驗證電子皮膚設備在三種典型的娛樂和工作場景（玩智能手機、閱讀書籍和處理計算機上的文件）中的實際效果，如圖4所示。

圖4 三種場景的用戶研究結果

綜上所述，本研究提出了一種具有電子皮膚外形和結構的無束縛皮膚集成設備。該設備能夠感知頸椎并提供振動觸覺反饋，以監(jiān)測并從觸覺上矯正頸部姿勢。所提出的多層結構將所有柔性電子電路和組件集成到緊湊的電子皮膚結構中。這種設計方案能夠使設備在附著于頸部皮膚時不受束縛，具有良好的適應性和貼合性。此外，研究人員還提出了一種基于中空結構的附著方法，用于將電子皮膚穩(wěn)定地附著在人體頸部皮膚上。該方法可以避免電子皮膚設備的位置偏移，以確保頸部前屈和側彎運動過程中姿勢傳感和局部振動觸覺呈現(xiàn)的可靠性。

研究人員還對電子皮膚設備進行了評估，并驗證了其傳感精度、皮膚適形性的機械特性、粘性，以及在跟蹤頸部前屈和側彎等不同頸部姿勢變化和實現(xiàn)局部振動觸覺識別的感知隔離方面的有效性。通過一項用戶研究，研究人員進一步驗證了柔性電子皮膚設備在用戶使用智能手機、閱讀書籍和處理計算機文件的情況下感知其姿勢并進行振動觸覺矯正的良好性能。因此，所提出的電子皮膚設備有望為頸椎病的預防和康復創(chuàng)造機會。