基于柔性電子技術(shù)的可穿戴產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李艷

(西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工學(xué)院, 西安 710077)

0 引言

可穿戴設(shè)備即直接穿在身上，或是整合到用戶的衣服或配件的一種便攜式設(shè)備?？纱┐髟O(shè)備不僅僅是一種硬件設(shè)備，更是通過軟件支持以及數(shù)據(jù)交互、云端交互來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的功能，主流的產(chǎn)品形態(tài)包括以手腕為支撐的watch類(包括手表和腕帶等產(chǎn)品)，以腳為支撐的shoes類(包括鞋、襪子或者將來的其他腿上佩戴產(chǎn)品)，以頭部為支撐的Glass類(包括眼鏡、頭盔、頭帶等)，以及智能服裝、書包、拐杖、配飾等各類非主流產(chǎn)品形態(tài)。

在北京召開的2013年數(shù)字世界亞洲博覽會(huì)上，最引人矚目的產(chǎn)品就是可穿戴設(shè)備。可穿戴設(shè)備有可能成為繼電視平臺(tái)，電腦平臺(tái)，移動(dòng)平臺(tái)之后的“第四平臺(tái)”。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動(dòng)通訊技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)呈現(xiàn)出小型化的趨勢(shì)，穿戴式智能設(shè)備已經(jīng)成為我們生活中必不可少的一部分。如谷歌眼鏡、三星智能手表、蘋果推出的iwatch智能手表等，我們正在慢慢進(jìn)入智能穿戴設(shè)備的時(shí)代。但是，由于人類身體構(gòu)造的原因，可穿戴設(shè)備如何更好的貼合人類的肢體需要進(jìn)行探索和改進(jìn)，就算可穿戴設(shè)備的材質(zhì)再柔軟再舒服，也無法帶來最好的使用體驗(yàn)。

柔性電子材料是近幾年來比較熱的一種研究方向，隨著研究的深入，很多柔性材料產(chǎn)品的出現(xiàn)為可穿戴電子設(shè)備等帶來了全新的體驗(yàn)。在可穿戴設(shè)備中引入柔性電子技術(shù)，大量運(yùn)用新材料，不怕彎折，改善人體活動(dòng)關(guān)節(jié)處的連接，提高產(chǎn)品的性能和耐用程度，降低成本，期望對(duì)能對(duì)可穿戴產(chǎn)品的設(shè)計(jì)做出一些突破。

1 柔性電子技術(shù)

柔性電子制造的關(guān)鍵包括制造工藝、基板和材料等，其核心是微納米圖案化制造，涉及機(jī)械、材料、物理、化學(xué)、電子等多學(xué)科交叉研究。柔性電子技術(shù)雖然可應(yīng)用于不同領(lǐng)域，但是其基本結(jié)構(gòu)相似，至少包含以下4個(gè)部分：電子元器件、柔性基板、交聯(lián)導(dǎo)電體和黏合層。電子元器件是柔性電子產(chǎn)品的基本組成部分，包括電子技術(shù)中常用的薄膜晶體管、傳感器(sensor)等。柔性基板具有絕緣性，較高的強(qiáng)度，廉價(jià)性、柔韌性、薄膜性(柔性電子系統(tǒng)的基板通常在1 mm左右)。交聯(lián)導(dǎo)電體在柔性電子系統(tǒng)中起到了電線的作用。黏合層具有耐熱性、結(jié)合力、彎曲能力。柔性電子技術(shù)在柔性電子顯示器、薄膜太陽能電池板、柔性傳感器3個(gè)方面有著廣泛的應(yīng)用。全世界正在對(duì)幾種不同的柔性顯示技術(shù)進(jìn)行探索，主要包括有機(jī)電致發(fā)光器件顯示(OLED)、有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(OTFT)和石墨烯。目前，英、美、韓、中、日等在石墨烯柔性電子方面的研究及產(chǎn)業(yè)化主要集中在觸摸屏領(lǐng)域，韓國開發(fā)出基于石墨烯的柔性有機(jī)電致發(fā)光器件。日本索尼于2012年9月制作出了長約120 m寬230 mm的石墨烯薄膜。2013年，美國西北大學(xué)研究人員使用含有微小石墨烯薄片油墨，打印出導(dǎo)電性能提高250倍、折疊時(shí)電導(dǎo)率僅有輕微下降的柔性電極。當(dāng)前隨著研究的深入，柔性電子技術(shù)也在不斷成熟。

2 基于柔性電子技術(shù)的可穿戴系統(tǒng)設(shè)計(jì)方略

可穿戴系統(tǒng)(wearable system)就是通過無線或有線連接的方式將多件可穿戴設(shè)備整合在一個(gè)系統(tǒng)中，作為一個(gè)整體實(shí)現(xiàn)與用戶、外部環(huán)境之間的交流互動(dòng)，當(dāng)前這一概念還未廣泛應(yīng)用基于柔性電子技術(shù)的產(chǎn)品必定區(qū)別于傳統(tǒng)的智能穿戴產(chǎn)品，能夠和用戶開展新的交互方式，因此，設(shè)計(jì)過程中還需從人體結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品攜帶方式等層面進(jìn)行考慮。

當(dāng)前由于柔性電子技術(shù)還處于初步發(fā)展階段，因此對(duì)可穿戴產(chǎn)品系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃時(shí)，并不需要涉及到柔性電子元件的具體技術(shù)細(xì)節(jié)，而是將其作為一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)黑箱模塊來與其他產(chǎn)品元件模塊進(jìn)行互動(dòng)組合?；诖蠖鄶?shù)智能穿戴產(chǎn)品的組成模塊，將其剛性模塊替換成柔性模塊，則可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)品的柔性化設(shè)計(jì)，因此可以說，柔性電子技術(shù)是可以整合進(jìn)大多數(shù)智能穿戴式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中的。柔性可穿戴系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)方略，如圖1所示。

圖1 柔性可穿戴系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)方略

3 柔性可穿戴產(chǎn)品系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)——柔性可穿戴背心

當(dāng)前可穿戴設(shè)備分成頭戴式、身著式、手戴式、腳穿式、攜帶類及其他等，具有不同的功能如在用戶的視野中顯示直觀的圖像，作用于身體的觸覺反饋或壓力、采集人體的體溫升降、心率數(shù)據(jù)、脈搏數(shù)據(jù)等，運(yùn)動(dòng)健身過程中中監(jiān)測(cè)身體數(shù)據(jù)等，本研究中設(shè)計(jì)的柔性可穿戴產(chǎn)品采用身著式，基于柔性石墨烯織物心電電極采集人體的心電數(shù)據(jù)。

3.1 整體結(jié)構(gòu)圖

心臟本身的生物電變化通過心臟周圍的導(dǎo)電組織和體液，反映到身體表面上來，使身體各部位在每一心動(dòng)周期中也都發(fā)生有規(guī)律的電變化活動(dòng)。當(dāng)把上述無線可穿戴心電檢測(cè)裝置的柔性皮膚電極貼在人體表面的一定部位時(shí)，兩個(gè)或多個(gè)柔性石墨烯織物心電電極能夠輸出因心臟活動(dòng)產(chǎn)生的完整性好、失真小、基線穩(wěn)定、振幅適中的電勢(shì)差。

基于的無線可穿戴心電心包括柔性石墨烯織物心電電極、心電模擬前端、MSP430系統(tǒng)、手機(jī)。在信號(hào)采集電路中，柔性石墨烯織物心電電極輸出的心電信號(hào)經(jīng)心電模擬前端濾波電路將背景噪聲信號(hào)濾掉，然后經(jīng)放大電路將信號(hào)放大送到MSP430模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，使用藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)，可以在手機(jī)中查看心電信號(hào)進(jìn)行分析。其中穿戴式心電采集、無線數(shù)據(jù)傳輸是最主要的環(huán)節(jié)。如圖2所示。

圖2 心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

3.2 心電模擬前端設(shè)計(jì)

心電模擬前端的主要作用就是對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行提取、放大及濾波。柔性石墨烯織物心電電極是心電信號(hào)采集終端的接觸電極，它屬于干電極，電極的阻抗相對(duì)來說較高，其在應(yīng)用過程中如果接觸不固定會(huì)成接觸阻抗的改變，降低了心電信號(hào)提取的效果。高阻抗的干電極受噪聲影響較大，為了解決這個(gè)情況通過在電極后面接一個(gè)緩沖放大器，將信號(hào)轉(zhuǎn)換成低阻抗信號(hào)，低阻抗信號(hào)不易受到噪音的干擾。

本文使用柔性石墨烯織物心電電極連接一個(gè)小的運(yùn)算放大電路，構(gòu)成一個(gè)插入式的織物電極，結(jié)構(gòu)比較簡單，插入式電極上的運(yùn)算放大電路圖如圖3所示。

圖3 插入式的織物電極運(yùn)算放大電路

選擇OPA333芯片作為運(yùn)算放大器，電壓工作范圍為1.8-5.5 V，特別適合作為電極上的運(yùn)算放大器使用。

3.3 MSP430 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

MSP430系統(tǒng)的主要作用就是實(shí)現(xiàn)心電模擬信號(hào)的AD 采樣，并能存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)，通過藍(lán)牙傳輸協(xié)議將采集到的心電信號(hào)傳輸?shù)绞謾C(jī)上，單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖，如圖4所示。

圖4 MSP430系統(tǒng)框圖

MSP430系統(tǒng)中的芯片選擇MSP430F149，根據(jù)心電信號(hào)的頻譜特點(diǎn)設(shè)計(jì)獲取的心電頻譜范圍，采樣頻率設(shè)置為150 Hz，存儲(chǔ)模塊選擇華邦的W25Q256 flash芯片，如果按照150Hz采樣頻率計(jì)算，每次采樣則可以存儲(chǔ)2個(gè)字節(jié)，通過SPI接口實(shí)現(xiàn)MSP430與W25Q256 Flash芯片的連接，通過SPI通信方式實(shí)現(xiàn)Flash的讀寫操作。系統(tǒng)采用藍(lán)牙通信模塊實(shí)現(xiàn)和手機(jī)的信息傳輸，采用藍(lán)牙2.0協(xié)議，同時(shí)調(diào)用手機(jī)安卓開發(fā)平臺(tái)藍(lán)牙API實(shí)現(xiàn)各種藍(lán)牙設(shè)備的操作。電源管理模塊采用電池充放電管理器MC34673，可以為單級(jí)鋰電池進(jìn)行充電，提供1.2 A充電電流，兼容DC與USB充電，最大的輸入電壓為28 V，功能較為豐富，可以實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)、涓流充電、恒流充電等，電池管理效果較好，滿足不同環(huán)境下的需求。

3.4 柔性石墨烯織物心電電極

目前臨床應(yīng)用的動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)儀大部分使用粘性電極。粘性電極由Ag/AgCI制成，該電極的應(yīng)用效果不太好，可能會(huì)引起皮膚的刺激癥狀，如果長期使用脫水干化或汗水稀釋等現(xiàn)象可能會(huì)影響心電信號(hào)的測(cè)量質(zhì)量。因此，本研究中采用石墨烯織物電極。

(1) 石墨烯織物電極的制備方式

石墨烯織物電極在制備過程中以濃度為5 mg/mL的氧化石墨烯水溶液作為原料，在抽濾瓶上安裝布氏漏斗，然后將圓形的普通棉料織物(厚度為0.5 mm，直徑為70 mm)覆蓋于布氏漏斗底部，然后打開真空抽濾泵進(jìn)行抽濾，保持布氏漏斗中的負(fù)壓為2.0×10-3，之后將濃度為5mg/mL的氧化石墨烯水溶液慢慢在織物上傾倒直至抽濾完成?？椢锏男螤羁梢愿鶕?jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，如多邊形、橢圓形、圓形或者其他的美觀圖形等。柔性織物媳婦氧化石墨烯之后置于真空烘箱之內(nèi)，將烘箱的溫度設(shè)置成50°，時(shí)間為3h，得到氧化石墨烯/柔性織物導(dǎo)電復(fù)合物。將氧化石墨烯/柔性織物導(dǎo)電復(fù)合物置于NaBH4的水溶液中(濃度為0.17 mol/L)，在常溫下慢慢攪拌10 h，然后取出，真空烘箱50℃，3 h，得到石墨烯/柔性織物導(dǎo)電復(fù)合物[1-3]。將石墨烯/柔性織物導(dǎo)電復(fù)合物與卡扣相粘貼，即可得到石墨烯/柔性織物心電電極，如圖5所示。

圖5 石墨烯織物電極

(2) 電極放置位置

石墨烯織物電極的放置位置選擇V5導(dǎo)聯(lián)，這是因?yàn)閂5導(dǎo)聯(lián)的信號(hào)比較強(qiáng)，波形特征十分清晰，R波突出易識(shí)別，V5導(dǎo)聯(lián)電位點(diǎn)見圖，其中黑色電極位置在胸廓的右側(cè)下緣，大約為第九根肋骨和第十根肋骨之間的交點(diǎn)，紅色電極位置為左側(cè)腋前線與第6肋的交點(diǎn)，黃色電極位置為胸骨柄右緣。

3.5 柔性可穿戴心電背心設(shè)計(jì)

本研究中設(shè)計(jì)的柔性可穿戴心電采集產(chǎn)品采用背心式，外形得體，穿戴方便。穿戴衣的材質(zhì)選擇不易變形、彈性大、緊身的材質(zhì)，含有5%氨綸、29%聚酰胺、66%聚酯成分[4]，制作的柔性可穿戴背心及心電采集設(shè)備，如圖6所示。

3.6 柔性可穿戴背心應(yīng)用測(cè)試

為了測(cè)試可穿戴背心的采集效果，選取1名測(cè)試者，穿上穿戴衣之后，測(cè)試者做靜止和走路兩種動(dòng)作，采樣頻率150 Hz持續(xù)時(shí)間為20 s，動(dòng)作之間間隔20 s，手機(jī)上獲得的心電波形，如圖7所示。

圖6 柔性可穿戴背心

(a) 靜止?fàn)顟B(tài)下的心電波形

(b) 走路狀態(tài)下的心電波形

穿著舒適，可以獲得較好的波形。手機(jī)使用華為U9508D智能手機(jī)，大約可以保存200組常規(guī)心電數(shù)據(jù)。

4 總結(jié)

當(dāng)前隨著柔性技術(shù)的發(fā)展，將其應(yīng)用在可穿戴設(shè)備中的研究越來越多，但是這些研究處于初步階段，其應(yīng)用效果可能不太理想，還需要進(jìn)行后續(xù)的進(jìn)一步研究。本文中以柔性石墨烯織物心電電極作為可穿戴背心的電極，人體穿上之后可以實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的采集。在可穿戴產(chǎn)品中引入柔性電子技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)大的發(fā)展趨勢(shì)，不久的將來，各種柔性智能設(shè)備將會(huì)大量出現(xiàn)。