爬行過程對於嬰幼兒的發育至關重要。缺乏爬行可能會導致嬰兒視覺運動、聽覺運動和視聽綜合的障礙。然而，嬰兒無法表達自己的感受，需要全天候的特殊護理，才能避免在爬行過程中受傷。傳統的嬰兒護理模式需要監護人保持持續的陪伴，而新開發的監視器跟踪系統雖然可以作為觀察嬰兒活動狀態的輔助方法，但無法量化嬰兒身體上可能導致軟組織損傷的壓力。囙此，持續監測和量測嬰兒身體所承受的生物力學壓力對於避免嬰兒受傷至關重要。
太原理工大學張虎林教授、美國加州大學洛杉磯分校陳俊教授等人報導了一種集成了柔性可食用摩擦發電水凝膠感測器的體域感測器網路，用於全方位嬰兒運動監測。每個柔性感測器都具有23.1 dB的高信噪比、0.28 V kPa−1的高靈敏度和50 ms的快速回應時間等優异特性。借助深度學習算灋，體域感測器網路可實現嬰兒運動模式的識別，分類準確率高達100%。此外，作者還開發了一個定制的手機應用程序，可提供實时警告和一鍵監護互動功能。這種自供電的體域感測器網路系統為物聯網時代可靠的嬰兒護理提供了一個有前途的策略。該研究以題為“Deep Learning Assisted Body Area Triboelectric Hydrogel Sensor Network for Infant Care”的論文發表在《Advanced Functional Materials》上。
【柔性可食用摩擦發電水凝膠感測器的設計】
該柔性可食用摩擦發電水凝膠感測器的設計採用一個夾層結構，包括明膠、瓊脂水凝膠和海藻。最外層的明膠是傳統柔性摩擦發電資料（如聚二甲基矽氧烷）的絕佳替代品，因為它富含多羥基結構，具有高負電子親和力。同時，由於它具有很强的附著力，能很容易地附著在皮膚上。中間瓊脂水凝膠充當電極層，海藻夾在瓊脂水凝膠和明膠之間，以保護明膠免受水的侵蝕。除了常見的成分明膠和瓊脂凝膠外，海藻也是一種常見的食物來源。由於採用的所有資料都是可食用的，這可以從根本上消除嬰兒意外攝入的風險和後果。這種柔性生物相容的感測器通過五個性能指標表現出其用於嬰兒護理的綜合效能，包括粘合性、敏感性、生物相容、堅固性和可食用效能。
圖1水凝膠感測器的設計
圖2水凝膠感測器的工作機理及表徵
【水凝膠感測器的電力和機械特性】
作者系統地研究了柔性可食用摩擦發電水凝膠感測器的機電輸出效能。開路電壓、短路電流和匹配電阻分別為3 V，20 nA和90 mΩ。作者在4 kPa和1 Hz下分析了感測器的響應性，回應時間約為50 ms，信噪比高達23.1，靈敏度為0.28 V kPa-1，展現出了快速回應、高靈敏度和耐用的優异特性，有利於嬰兒的長期護理。考慮到水凝膠的脫水問題，作者在明膠邊緣使用適量的水作為粘合劑來密封瓊脂水凝膠。通過將兩個明膠薄膜接合在一個封閉的空間中，來最大限度地减少水凝膠的失水。與未密封的感測器相比，密封感測器可以大大保持其重量，可用於長期嬰兒護理。此外，密封感測器即使在超過12°的彎曲下也能保持高機械強度，體現出了其堅固耐用性。
圖3柔性可食用摩擦發電水凝膠感測器的電力和機械特性
【基於深度學習的嬰兒護理系統】
為了增强對複雜運動訊號的精確識別能力，作者構建了一個基於柔性生物相容感測器的體域感測器網路。作者將11個感測器連接到嬰兒的不同位置，包括胸部、手、膝蓋、脚、頸部、背部、手腕和臀部，每個感測器檢測到不同身體部位特定運動所產生的數據，並進行採集與記錄。鑒於施加的力和電輸出之間的高度線性關係，可以獲得每個感測器上的壓力來估計嬰兒跌倒的風險。作者預先收集了其他運動模式的訊號，例如翻身、抱嬰兒、拍背和鼓掌。由於這些訊號彼此不同，囙此提出了深度學習算灋來幫助快速準確地實时識別嬰兒的運動模式，預測準確度高達100%。最後，作者定制了相應的手機APP終端，如果感測器施加的壓力超過安全閾值，APP程式可以提供實时預警和一鍵監護互動，以實現及時的嬰兒護理。
圖4一種深度學習輔助實时嬰兒護理系統的設計
總結：作者開發了一種用於嬰兒護理的柔性可食用摩擦發電水凝膠感測器，其信噪比為23.1 dB，回應時間為50 ms，靈敏度為0.28 V kPa−1。借助嬰兒自供電體域感測器網路和深度學習算灋，可以實現對所受壓力的準確快速量測和嬰兒多種運動模式的識別。同時，定制的APP程式可以將運動訊號無線傳輸到手機，進行實时預警和一鍵監護互動。該面向嬰兒的智慧系統為物聯網時代的嬰兒護理和管理提供了一個有前途的策略。