文 / 鬍月
可穿戴技術是20世紀60年代,美國麻省理工學院媒體實驗室提齣的創新技術,利用該技術可以把多媒體、傳感器和無綫通信等技術嵌入人們的衣著中,可支持手勢和眼動操作等多種交互方式。可穿戴健康設備是隨著可穿戴設備的産生發展而逐漸衍生齣來的可穿戴設備的又一分支。1960年代以來,可穿戴式設備逐漸興起。到瞭70年代,發明傢Alan ﻪLewis 打造的配有數碼相機功能的可穿戴式計算機能預測賭場輪盤的結果。1977年,Smith-Kettlewell 研究所視覺科學院的C.C. ﻪColin為盲人做瞭一款背心,它把頭戴式攝像頭獲得的圖象通過背心上的網格轉換成觸覺意象,讓盲人也能“看”得見,從廣義上來講,這可以算是世界上第一款可穿戴健康設備。
來自浙江大學寜波研究院、浙江大學機械工程學院(研究員,特聘教授,博導)的張晟,是可穿戴傳感器領域中的佼佼者。近五年內,他在國際期刊上公開發錶論文50餘篇,頂刊11篇,除此之外,張晟博士在自己的研究領域,可謂碩果纍纍,比如,用中國傳統的摺紙及剪紙技術來實現對二維納米薄片結構的改良,使其具有更加良好的延展性,以實現在較大幅度的運動傳感時包括肘關節、膝關節的運動傳感時可以保持原狀。張晟博士和他的團隊研發瞭智能隱形眼鏡,是一種理想的可穿戴血糖儀。他也曾經分享過農業機械化和科技化在農業機械領域的應用情況、農業智能化當前麵臨的問題,希望用科技促進農業增收。他也希望自己能夠不忘初心、牢記使命,並且囑咐自己的學生們要珍惜優質的科研環境,持之以恒、著手當下、放眼未來,做齣迴饋國傢和社會的科研成果,不負青春。
辦公桌上擺著火箭樂高模型,沙發旁放著一把吉他,走進張晟教授的辦公室,感覺很親切,他熱愛科研,也有自己的愛好,喜歡音樂,喜歡器械,喜歡一切新奇的東西。自由、開放和創新,也是團隊成員對張晟的評價。確實,1984年齣生的張晟已是“團隊老大”,和成員年齡相差不大,和學生們亦師亦友。張晟從小全傢移民海外,父母原本就是高校教師,同在華東師範大學(985)任職,父親在國傢重點實驗室河口海岸研究所任儀器室主任,母親在外語係教日語。移民後在美國加利福尼亞州長大,並在美國獲得學位,在2012年又遠赴荷蘭攻讀博士學位,研究生物摩擦學,博導為領域著名學者Emile ﻪvan der ﻪHeide教授。2016年獲得博士學位後,張晟在日本東海大學任職,參與多項日本MEXT(文部科學省)科學研究資助項目,並以第一作者或通訊作者發錶十餘篇高水平SCI論文。申請日本專利“觸覺設備(光縴人造柔性觸覺皮膚)”,這項專利發明瞭一種基於光縴的人造柔性觸覺皮膚,其振動感知係統可模仿人體皮膚的觸覺。這種傳感器是一種新型、高靈敏度、高可靠性的觸覺感知傳感器,成本低廉且能對抗磁乾擾,可用於檢測敲擊、輕觸、扭動和滑動等動作。2018年,張晟在美國哈佛大學擔任研究員, ﻪ同時在布列根和婦女醫院(美國哈佛大學醫學院第二大附屬醫院)任閤作研究員,參與醫工結閤項目,研究方嚮為“基於皮膚錶皮生物傳感器的護理點診斷”。其研究成果發錶在多個SCI頂級期刊,例如:題目為“基於雲端的錶皮二硒化鉬(MoSe2)器件:有害氣體傳感裝置的研製”;並結閤多項研究成果以第一作者在知名綜述期刊上發錶論文“納米片傳感應用的進展與發展趨勢”。也曾在日本東京大學,清華大學,中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所進行過交流訪問。2020年3月,張晟毅然選擇離開美國,以外專身份來到浙江大學寜波研究院及浙江大學機械工程學院任職,同時獲得國傢外專局A類科學傢稱號,並入選2021年度甬江引纔工程科技創新領域青年創新人纔。在美國、歐洲以及日本的豐富研究經曆與對科研的熱情鑽研,讓他很容易和團隊打成一片,而他的創新活力和自由開放讓他也相信自己在這裏會有更多創新成果。
開發人工皮膚功能 緻力電子皮膚自愈
皮膚是人體的最大器官,作為人體感知交互界麵,能夠感應到外界的機械壓力、溫度、化學等刺激。在過去的幾十年裏,可穿戴傳感器因其在健身、醫療保健、人體運動和環境監測等領域的廣泛應用而備受關注。近年來,研究者們開發瞭一係列人工皮膚來模仿人體皮膚的特性和功能,這些人工皮膚的本質就是各種類型的傳感器,可以感知外界的各種信號並記錄為不同的電信號,因此這類人工皮膚又叫電子皮膚。在電子皮膚的厚度、抗彎剛度、有效彈性模量可以與人體皮膚特性相匹配等一係列關鍵技術取得重大突破後,電子皮膚受到瞭多學科研究人員的高度重視,符閤未來的發展需求,現已成為當今國際學術研究的熱點之一。
張晟“柔性仿生與生物智能”團隊近年來緻力於電子皮膚自愈閤能力、抗疲勞性能、柔韌性等性能研究。開發瞭一種基於MoS2納米片的剪紙柔性電子器件,這種中國剪紙結構賦予瞭電子皮膚傳感器很高的舒適性、柔韌性、延展性和彎麯性。因此,這種電子器件不僅可以作為人體皮膚上的電子皮膚溫度傳感器,還可以作為高度形變關節和器官的光電探測器。
納米片傳感研無不盡 團隊閤作蓄勢待發
在美國,張晟除瞭在哈佛大學擔任研究員,還同時在布 列根和婦女醫院(美國哈佛大學醫學院第二大附屬醫院)任 ﻪ閤作研究員,參與醫學與工程結閤項目,研究方嚮為基於皮膚錶皮生物傳感器的護理點診斷。張晟在皮膚錶皮納米片傳感應用方麵戰績赫赫。例如,張晟及其團隊以MoSe2納周米薄片為基體,製作瞭一種輕質且便宜的錶皮傳感器來監測圍的有毒氣體。MoSe2納米薄片通過金輔助剝離方法來製備。
NO2和NH3這兩種容易在人體錶皮聚集的有毒氣體,可以通過這個錶皮傳感器以快速的反應來進行數據收集並預警。此外,藉助雲技術,傳感器得到的數據被傳輸到雲終端使得醫療研究所可以快速及時地得到信息,並能給齣相應的準確的治療方法。上述成果整理為學術論文《基於雲的錶皮MoSe2有害氣體傳感裝置的研製》發錶在國際SCI收錄期刊Advanced ﻪFunctional ﻪMaterials,該期刊在中科院SCI期刊分區中的工程技術和材料科學方嚮都列為1區並且都屬於TOP期刊,影響因子高達16.836。
使用摺紙剪紙技術 改良二維納米薄片
張晟將使用中國傳統的摺紙及剪紙技術來實現對二維納米薄片結構的改良,使其具有更加良好的延展性,以實現在較大幅度的運動傳感時包括肘關節、膝關節的運動傳感時可以保持原狀。並且使用 ﻪPLLA這種有機二維納米薄片,來提高傳感器的粘附力,以實現較大運動傳感時,傳感器不會脫落。這種利用摺紙和剪紙技術對納米薄片的結構的改良在傳感器領域很是缺乏,尤其是摺紙技術與二維薄片傳感器的結閤更是世界首次,在實現不同二維薄片對各種傳感器的應用之後,改變二維薄片的結構來進一步提升傳感器的各方麵性能纔是對二維薄片錶皮傳感器研究的未來趨勢。除瞭摺紙和剪紙技術,張晟及團隊還會嘗試使用希爾伯特麯綫和莫比烏斯環來進行納米薄片的結構改良。希爾伯特麯綫可以實現傳感器的“一維”和“二維”之間的轉換,大大提升瞭傳感器可以放大和收縮的長度。莫比烏斯環結構的應用可以實現納米薄片“二維”和“三維”之間的轉換,可以使用在納米薄片兩測都需要進行傳感的情況。
同時,張晟及團隊擬使用光縴傳感,來代替傳統的人體運動傳感器使用的應力傳感器及壓電傳感器。光縴傳感可以實現超細小的運動的監測,與摺紙技術相結閤,該項目做齣的人體運動傳感器既可以實現對人體較大運動的傳感,也可以實現對人體超微運動的傳感,從而實現幾乎所有人體運動的傳感。
研發智能隱形眼鏡 可穿戴血糖儀
糖尿病被稱為“甜蜜殺手”,血糖檢測對糖尿病患者來說至關重要,因為隻有通過對患者血糖的監測,纔能及時服藥控製血糖。然而,常見的血糖儀大多需要手指采血,且多為一次性檢測,不能實時瞭解患者的血糖動態,血糖數據具有局限性。
為此,浙江大學寜波科創中心(寜波校區)的張晟團隊和來自哈佛大學、英國國傢物理實驗室以及喬治華盛頓大學的閤作團隊共同研發瞭智能隱形眼鏡,不僅能實現24小時不間斷檢測血糖,而且佩戴舒適,是一種理想的可穿戴血糖儀。
新型隱形眼鏡生物傳感器係統包含3個探測器,分彆用於接收光學信息、感知角膜溫度,檢測淚液中葡萄糖水平。值得一提的是,與傳統的傳感器和夾在透鏡基闆中的電路芯片不同,該智能隱形眼鏡采用特殊設計的蛇形網狀傳感器係統,可直接安裝在透鏡上並與淚液保持接觸,從而提供高檢測靈敏度,且對正常用眼不會産生乾擾。
“我們對智能隱形眼鏡做瞭體外細胞毒性測試,顯示其具有良好的生物相容性,戴上後無異物感。”張晟告訴記者,眼下已經和寜波多傢醫院開展閤作,將其應用於臨床,未來有望成為醫療保健和醫療應用的下一代軟電子産品。
在綫問診對抗疫情 提升防控戰鬥力
疫情的蔓延,讓網絡在綫問診受到廣泛的使用。除瞭人工在綫問診外,機器人問診進一步緩解瞭人力緊張。在未來,隨著我國分級診療製度的建立與完善,互聯網智能技術的加盟,在綫問診能發揮的作用可能遠遠不止於此。在推進過程中,最大的問題,是目前社會、政府、業界對分級診療製度的認識和把握,並未完全到位,也還存在各種分歧。初級醫療服務並不等於低水平的醫療服務,也是亟待糾正的觀點。
“很多發達國傢已經實行瞭分級診療的方法,讓病患從全科到專科,從初級彆到高級彆的醫療過程。例如美國的傢庭醫生製度,就很好地起到瞭病患分流的作用。”張晟博士指齣,根據中國的國情,各地衛生部門應當統籌調配轄區內醫療資源,依托醫聯體和縣域醫共體,及時疏導病人就醫,也是防止疫情擴散蔓延的重要手段。
“很多發達國傢已經實行瞭分級診療的方法,讓病患從全科到專科,從初級彆到高級彆的醫療過程。例如美國的傢庭醫生製度,就很好地起到瞭病患分流的作用。”張晟博士指齣,根據中國的國情,各地衛生部門應當統籌調配轄區內醫療資源,依托醫聯體和縣域醫共體,及時疏導病人就醫,也是防止疫情擴散蔓延的重要手段。
浙江大學寜波研究院首批建設10個技術創新示範或公共服務平台、6個創新研究中心、20個研究團隊,張晟博士成立瞭“柔性仿生與生物智能實驗室”,主要研究領域為生物檢測技術,生物摩擦學,觸覺感應,仿生,醫學工程結閤等交叉學科。
隻有勇於為科學獻身的人纔能攀上科學的高峰。雖然在科研的道路上張晟博士遇到瞭許多睏難,但是張晟知道任重而道遠。天將降大任於斯人也,必先苦其心誌,山重水復疑無路,柳暗花明又一村,他堅信堅信隻要自己堅持初心,就能在科研道路上走得越來越遠。
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