用于自供电婴儿护理系统的可穿戴柔性摩擦电传感器阵列

　　婴儿跌倒监测中，基于柔性三轴摩擦电传感器阵列（WTSA）的系统通过PDMS半球与Ecoflex基底的接触分离产生电压信号，结合CNN算法实现93.6%的碰撞位置识别精度，输出电压与加速度呈线性关系（-2 V至-17 V），并具备自供电能量收集能力（42.5 nW峰值功率）。

　　
本研究针对婴儿在关键发育阶段（如翻身、坐立、爬行和行走）面临的跌倒与碰撞风险，提出了一种新型可穿戴摩擦电传感器阵列（WTSA）及其智能监测系统。该技术通过融合柔性材料、摩擦电能量收集和机器学习算法，实现了对婴儿碰撞事件的实时监测、位置识别与能量自供给功能，为婴幼儿安全防护提供了创新解决方案。

### 1. 技术背景与需求分析
婴儿在学步期的运动控制尚未完善，统计数据显示超过60%的婴幼儿伤害源于跌倒或碰撞（引用文献1-8）。传统监测手段存在明显局限：视觉监控系统存在隐私泄露和监测盲区问题；环境传感器成本高昂且依赖固定装置；常规穿戴设备（如加速度计）受限于电池续航和舒适性。基于此，研究团队创新性地采用摩擦电纳米发电机（TENG）技术，其核心优势在于：
- **自供电特性**：通过机械能直接转化为电能，无需外部电源
- **柔性可穿戴**：采用生物相容性材料（Ecoflex/PDMS）实现皮肤级贴合
- **多维信号感知**：可同时捕捉加速度、频率、接触面积等参数

### 2. WTSA系统设计与创新
#### 2.1 结构设计
系统由三层复合结构构成（图2B）：
1. **基底层**：Ecoflex弹性基材（4×6 cm），实现与皮肤的完美贴合
2. **电极层**：底层铜箔电极（8mm圆盘）与上层铜箔电极形成平行板结构
3. **传感层**：PDMS制备的九宫格半球形凸起（直径8mm），通过机械形变触发电荷转移

关键创新点：
- **三维信号采集**：9个独立传感器单元构成3×3阵列，覆盖头部及上肢关键区域
- **双模工作**：兼具加速度计（量程0.5-3g）和能量收集器（峰值功率42.5nW）功能
- **柔性冗余设计**：材料模量（Ecoflex：0.5MPa）仅为传统硅胶的1/3，可承受120°弯曲形变

#### 2.2 工作原理
基于接触分离模式的摩擦电效应（图2A）：
1. **接触 electrification**：婴儿皮肤与Ecoflex基材接触时发生电荷转移（皮肤→Ecoflex）
2. **动态分离过程**：碰撞导致PDMS半球形凸起下陷，与下层铜箔形成瞬时接触-分离循环
3. **电场感应**：上下层铜箔形成电容结构，机械形变产生的电荷差转化为电压信号（-2V至-17V）

### 3. 关键性能验证
#### 3.1 灵敏度与稳定性
- **加速度响应**：电压输出与加速度呈线性关系（R2=0.98），0.5g→-2V，3g→-17V（图4D）
- **环境适应性**：在30%-80%湿度范围内输出波动＜5%（图4A）
- **长期稳定性**：连续工作48小时后信号衰减＜3%，机械形变恢复率＞95%

#### 3.2 位置识别精度
通过构建包含2160个样本的数据库（4种位置×9个传感器×60次采样/秒），训练CNN模型实现：
- **空间分辨率**：识别准确率93.6%
- **多维度特征**：捕捉信号幅度、频率、相位差及空间分布特征
- **误差边界**：位置误判率＜7%，相邻传感器信号相关性＜0.3

#### 3.3 能量收集效率
- 单个传感器可给10μF电容充电至2.8V（图5C）
- 三级并联时输出电压达1.2V，支持持续工作24小时
- 功率密度达42.5nW（图5B）

### 4. 临床应用价值
#### 4.1 多场景监测能力
- 模拟测试覆盖平地、台阶、锐角碰撞等6种典型场景
- 可识别3种不同材质（金属/塑料/海绵）的冲击对象
- 对0.5g低强度冲击（如翻身时的轻微接触）具备有效检测

#### 4.2 伤情评估体系
建立三级预警机制：
1. **一级预警**（0.5-1.5g）：触发持续监测模式
2. **二级预警**（1.5-3g）：自动上传数据至医疗终端
3. **三级预警**（＞3g）：立即启动声光报警（响应时间＜0.3秒）

#### 4.3 穿戴舒适性
- 厚度仅0.8mm，重量＜15g/m2
- 皮肤贴合度达98%（通过皮肤阻抗测试）
- 支持360°旋转和15°倾斜形变

### 5. 技术突破与行业影响
#### 5.1 材料创新
- PDMS半球形结构实现98%接触面积覆盖
- Ecoflex基材生物相容性通过FDA 510(k)认证

#### 5.2 算法优化
- 采用LDA降维（特征提取维度从9×60=540降为30）
- CNN模型参数量控制在2.4M以内（适合嵌入式部署）

#### 5.3 经济效益
- 单体成本＜$15（量产规模）
- 五年维护成本＜$50/婴儿
- 降低医疗支出约37%（基于模拟医院数据）

### 6. 应用前景与发展方向
当前系统已集成至婴儿监护服（图1B），在三个试点医院完成2000小时实地测试，成功预警碰撞事件217次，其中：
- 89%为头部安全区（前额/顶部）
- 62%发生在睡眠环境（床铺/枕头区域）
- 55%的碰撞伴随0.8-1.2g加速度（对应轻微脑震荡风险）

未来升级方向：
1. **多模态融合**：集成体温/心率监测（已通过测试验证信号干扰＜5%）
2. **边缘计算优化**：开发专用芯片将数据处理延迟缩短至50ms
3. **无线充电集成**：测试表明可同时为传感器和蓝牙模块供电

该技术已获得6项国际专利，并通过ISO 13485医疗器械质量体系认证，预计2025年可实现商业化应用，对降低婴幼儿伤害率（当前年发生率约12%）具有重要临床价值。