心跳、摩擦都可發電!清大以自驅動感知系統開發「足壓感測鞋墊」

作者 | 發布日期 2021 年 12 月 01 日 11:37 | 分類 尖端科技 , 生物科技 , 科技教育 Telegram share ! follow us in feedly


清華大學生物醫學工程研究所教授林宗宏研發出無需電池、充電的「自驅動感知系統」,只要利用體溫、心跳或人體動作的微小磨擦、靜電及振動就能發電,為個人智慧醫療監控輔具掀起重大革命,並應用在足壓感測鞋墊,即可隨時自動偵測,並透過物聯網回報數據,提供病患復健建議。

針對人體生理及環境的自動感測技術發展日新月異,但電力供給始終是個大問題。林宗宏指出,不需要外部供電,即可自行驅動的感知系統,應用在智慧醫療輔具,可實現長期且不間斷的生理訊號偵測,對手術後的追蹤與慢性病的居家照護都有很大幫助。

▲ 足壓偵測鞋墊。(Source:清華大學)

研究團隊首先應用這套自驅動感知系統設計一款足壓感測鞋墊,每一片鞋墊植入 4 片長寬各 1 公分,重量僅 1.5 公克的軟性薄片感測器,分布在腳掌前端、兩側及後端,再加上一個輕便的穿戴式無線訊號傳送裝置及手機應用程式。

足壓感測鞋墊能偵測,並即時傳送患者的足壓、腳掌各部位觸地的時間等數據,分析患者行走時的身體重心分布及肌肉運動方式,幫助醫師對腳底筋膜炎、椎間盤突出或十字韌帶受傷等病症做出更準確的診斷、治療與術後追蹤。

▲ 從鯊魚皮結構取得靈感來設計軟性薄片感測器。(Source:清華大學)

林宗宏透露,研究團隊還從擁有第六感「電感」的鯊魚身上取得靈感,將鯊魚表皮上的獨特微結構複製、重現,應用在軟性薄片感測器的外層矽膠設計上,加上中間的液態金屬,就能讓感測器更精確地捕捉到振動,進行感測與發電。

林宗宏表示,「自驅動感知系統」因為不需要電池供電,還可應用在心臟除顫器這類植入人體的醫材,可減少重新置換除顫器時需要進行手術的風險,對於一些糖尿病等慢性疾病患者,醫師也可以從遠端透過足壓、汗液監測,即時掌握患者的生理變化,讓治療更即時且準確。

許多自動監測系統採用精密儀器,造價不菲。林宗宏表示,自驅動感測系統主要是將微小振動等機械能轉化為可供物聯網分析的電訊號,具有元件製作成本低,結構設計簡單,材料選擇性廣等優勢。

林宗宏指出,因應全球高齡、失能族群及長照需求逐年增加的趨勢,更顯潛力十足,尤其當今全球疫情嚴峻,遠端醫療監測的需求大增,自驅動感知系統的創新應用也深受期待。這項技術已申請到台灣和美國專利,並榮獲科技部 2021 年度「未來科技獎」。

▲ 機械手環境感測器可測出汞離子等重金屬污染數值。(Source:清華大學)

自驅動感知系統的發展潛力不僅在醫療領域,林宗宏指出,目前也應用在環境監測,將小型的自驅動環境監測設備裝設在河川及廢水排放口,就能在不需外部供電的條件下,不畏偏遠、艱困環境,全天候監測水質中的汞、鉛、鎘、砷等重金屬汙染,每分鐘都能提供最新的檢測數據,讓汙染無所遁形,甚至未來也很適合送上太空,對火星環境進行長期監測。

林宗宏團隊還應用這套系統研發出「自驅動智能調控玻璃」,結合輕、薄的透明導電膜及變色材料,即可透過不耗電的方式,隨時調節玻璃的透光度,未來可應用在醫院病房、弱視患者的眼鏡輔具、汽車擋風玻璃、電腦及手機的保護隱私鏡頭等。

(首圖來源:清華大學)