開(kāi)發(fā)一種高集成度、低成本的活魚(yú)可穿戴電子系統(tǒng)

★研究背景

有水運(yùn)輸途中水質(zhì)的變化以及機(jī)械損害可能導(dǎo)致魚(yú)類(lèi)的長(zhǎng)期健康問(wèn)題。低溫?zé)o水運(yùn)輸作為一種清潔而新穎的運(yùn)輸策略逐漸受到關(guān)注。然而，運(yùn)輸過(guò)程不可避免的各類(lèi)脅迫因素會(huì)造成活魚(yú)的生理參數(shù)波動(dòng)以及應(yīng)激反應(yīng)。應(yīng)激水平的合理評(píng)估成為了制定動(dòng)態(tài)調(diào)控策略以及提高存活率的前提。近年來(lái)，可穿戴電子，尤其是可拉伸電子由于在健康監(jiān)測(cè)、電子皮膚、以及可穿戴顯示領(lǐng)域的潛在應(yīng)用而備受關(guān)注。軟器件可以可靠且無(wú)損地共形于各類(lèi)物體表面，例如皮膚、植物、和食品，用于實(shí)時(shí)質(zhì)量檢測(cè)或監(jiān)測(cè)。同樣，可以將其黏附于活體動(dòng)物體表，以原位獲取養(yǎng)殖或運(yùn)輸期間的環(huán)境和生理參數(shù)。

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)張小栓教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)并應(yīng)用了一種高集成度、低成本的活魚(yú)可穿戴電子系統(tǒng)（LFWES）。系統(tǒng)由PDMS基的氣動(dòng)直寫(xiě)可拉伸電路（SC）連接fPCB構(gòu)成。良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證了小體積、柔軟的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在拉伸循環(huán)后仍能實(shí)現(xiàn)溫濕度、歐拉角的多模無(wú)線傳輸。我們首次提出將SC穿戴于活魚(yú)鰓部用于無(wú)損監(jiān)測(cè)呼吸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及微環(huán)境參數(shù)。在10 h的模擬運(yùn)輸過(guò)程中鱘魚(yú)應(yīng)激狀態(tài)可以劃分為急性應(yīng)激、應(yīng)激適應(yīng)、和應(yīng)激累積階段，結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)血糖數(shù)據(jù)相匹配。同時(shí)，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（FNN）被用于針對(duì)環(huán)境和生理數(shù)據(jù)融合建模，應(yīng)激等級(jí)評(píng)估精度達(dá)到了88.1%。此研究對(duì)于將可穿戴電子技術(shù)與活體動(dòng)物的運(yùn)輸過(guò)程相結(jié)合，提升運(yùn)輸效益與管理水平具有指導(dǎo)意義。

★ 文章解析

在活魚(yú)的低溫?zé)o水運(yùn)輸過(guò)程中，魚(yú)鰓的呼吸運(yùn)動(dòng)歐拉角是應(yīng)激參數(shù)的關(guān)鍵表征指標(biāo)。魚(yú)鰓的張閉運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)角度的周期性波動(dòng)，進(jìn)而對(duì)個(gè)體應(yīng)激強(qiáng)弱進(jìn)行特征提取，如圖1a所示。同時(shí)，活魚(yú)充氧運(yùn)輸袋中的微環(huán)境參數(shù)變化對(duì)于個(gè)體累積應(yīng)激的影響不容忽視。據(jù)此，我們?cè)O(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了LFWES，由 PDMS基SC經(jīng)軟排線連接fPCB組成。SC和fPCB分別具有33 × 26 mm2 和42 × 38 mm2的較小尺寸，而軟排線可根據(jù)魚(yú)體長(zhǎng)度進(jìn)行靈活調(diào)整。系統(tǒng)示意圖以及概念框架如圖1b,c所示。SC搭載了高精度數(shù)字式溫濕度傳感器SHT30以及六軸姿態(tài)傳感器MPU6050。后者自帶的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器（DMP）能夠?qū)崿F(xiàn)歐拉角的解算，進(jìn)而對(duì)活魚(yú)的呼吸深度（RD）和呼吸強(qiáng)度（RI）進(jìn)行特征提取。元器件之間通過(guò)可拉伸導(dǎo)電銀漿進(jìn)行電氣連接。兩傳感元件均作為I2C從機(jī)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。微控制單元（MCU）進(jìn)一步連接外部藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)無(wú)線透?jìng)髦两K端，全系統(tǒng)由可充電5V，900 mAh的鋰離子聚合物電池供電。如圖1d所示為組裝完成的柔性感知系統(tǒng)實(shí)物圖，在保證穩(wěn)定工作的前提下具有緊湊的布局，能夠滿(mǎn)足活體動(dòng)物可穿戴的應(yīng)用場(chǎng)景需求。

圖1：LFWES的主要設(shè)計(jì)思想

旋涂制備300μm厚的PDMS膜并進(jìn)行氧等離子處理作為可拉伸基底。使用多功能打印機(jī)（Prtronic，DB100）的氣動(dòng)直寫(xiě)模式在薄膜表面打印預(yù)先設(shè)計(jì)的電路。工作參數(shù)如下：氣壓80 kPa，速度 5 mm/s，Z軸間距0.2mm。上述參數(shù)可微調(diào)以靈活控制線寬。接著，將電阻器、電容器以及傳感芯片植入電路相應(yīng)位置，利用銀漿的較強(qiáng)黏附力使其與引腳良好接觸。電路被置于100 ℃環(huán)境退火1 h實(shí)現(xiàn)銀漿的固化，確保元器件不損壞的條件下加固焊接。最后，使用Kapton膠帶進(jìn)行溫濕度感知芯片的表面封裝以提高其工作可靠性，并澆注PDMS前體并在80攝氏度下退火3 h完成整體電路封裝。得益于可拉伸導(dǎo)電銀漿的優(yōu)良基底附著力與斷裂伸長(zhǎng)率，SC展現(xiàn)出了良好的拉伸、彎曲、和扭轉(zhuǎn)特性（圖2b–d）。同時(shí)，所設(shè)計(jì)的SC厚度小于2mm，質(zhì)量約1.5 g，在最小化活魚(yú)穿戴過(guò)程外部刺激的引入方面具備優(yōu)勢(shì)。

圖 2：SC的制備

無(wú)水活體運(yùn)輸前需要對(duì)魚(yú)進(jìn)行禁食暫養(yǎng)和梯度降溫休眠處理。小心地擦拭鱘魚(yú)鰓蓋表面的積水與黏液后使用醫(yī)用等級(jí)快干膠水（PR100, 3M）將SC共形于鰓蓋表面，隨后立即放入自制緩沖板并充氧包裝（圖3）。充氧運(yùn)輸袋被置于4℃低溫培養(yǎng)箱10 h以模擬無(wú)水活體運(yùn)輸過(guò)程。

圖 3：低溫?zé)o水活魚(yú)運(yùn)輸多參數(shù)監(jiān)測(cè)

為了清晰地描述鱘魚(yú)無(wú)水運(yùn)輸過(guò)程應(yīng)激等級(jí)評(píng)估模型，搭建了圖4a所示的評(píng)估框架，主要包含目標(biāo)層、規(guī)則層、和等級(jí)層。其中RD和RI分別提取自角度波形的幅值和頻率。每個(gè)因子下鱘魚(yú)的應(yīng)激等級(jí)被劃分為了5個(gè)等級(jí)?？紤]到環(huán)境和生理因子與應(yīng)激等級(jí)之間存在模糊而復(fù)雜的非線性關(guān)系，選擇模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（FNN）進(jìn)行多因子的數(shù)據(jù)處理與建模。如圖4b所示，F(xiàn)NN包括輸入層，模糊化層，模糊規(guī)則層，和輸出層。模型訓(xùn)練過(guò)程訓(xùn)練集與驗(yàn)證集的比例設(shè)為7：1。按照時(shí)間軸等距抽樣的方式選取了來(lái)自十條魚(yú)的151組數(shù)據(jù)代入模型進(jìn)行測(cè)試。為保證模型的泛化能力和預(yù)測(cè)精度，通過(guò)多次訓(xùn)練和驗(yàn)證確定了以下關(guān)鍵的模型參數(shù)：迭代次數(shù)=100，隸屬度函數(shù)個(gè)數(shù)=10，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系數(shù)=0.3，誤差容限=0.01。

圖 4：鱘魚(yú)無(wú)水運(yùn)輸過(guò)程應(yīng)激水平評(píng)估模型構(gòu)建

圖 5：SC的機(jī)械性能探究

在PDMS基底上氣動(dòng)直寫(xiě)可拉伸導(dǎo)電銀漿制備了兩種蛇形導(dǎo)電圖案以分別測(cè)試橫向和縱向拉伸性能。通過(guò)協(xié)調(diào)直寫(xiě)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)線寬和線間距小于250 μm的導(dǎo)電銀線的制備，驗(yàn)證了精密電路制造的可行性。圖5探究了銀漿在基底上的流動(dòng)性、黏附性、以及拉伸過(guò)程的機(jī)電性能。對(duì)SC施加10%的拉伸應(yīng)變1000個(gè)循環(huán)后探究其電氣性能，如圖6所示。

使用制備的LFWES對(duì)充氧運(yùn)輸袋中的微環(huán)境以及鱘魚(yú)生理參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)10 h的貼附式無(wú)損監(jiān)測(cè)。可以得到如下的鱘魚(yú)無(wú)水運(yùn)輸過(guò)程應(yīng)激狀態(tài)變化規(guī)律：

Stage Ⅰ: (~ 0–1 h) Acute stress.個(gè)體進(jìn)入無(wú)水低溫運(yùn)輸新環(huán)境而產(chǎn)生較為劇烈的應(yīng)激反應(yīng)。鰓蓋張閉角度以及頻率快速上升，RD和RI均處于較高水平。

Stage Ⅱ: (~ 1–8 h) Stress adaptation.隨著時(shí)間推移，運(yùn)輸袋微環(huán)境參數(shù)趨于穩(wěn)定，個(gè)體逐漸開(kāi)始適應(yīng)運(yùn)輸新環(huán)境，呼吸角度及頻率停止升高，RD和RI降低至中等水平后開(kāi)始出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)。

Stage Ⅲ: (~ 8–10 h) Stress accumulation.在外部應(yīng)激源的持續(xù)影響下，個(gè)體應(yīng)激已達(dá)到較高水平，RD和RI逐漸在較低的水平趨向穩(wěn)定，伴隨著明顯下降的波動(dòng)幅度。

如圖7d所示，血糖濃度在前7h內(nèi)逐漸下降，而后回升。鱘魚(yú)在Stage Ⅰ–Ⅱ 面對(duì)新環(huán)境的脅迫不斷調(diào)節(jié)生理代謝活動(dòng)，此過(guò)程血糖作為直接能量來(lái)源。隨著適應(yīng)期的結(jié)束，體內(nèi)血糖調(diào)節(jié)導(dǎo)致濃度出現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)。該結(jié)果有效佐證了上述規(guī)律，表明角度測(cè)量間接反應(yīng)應(yīng)激狀態(tài)的可行性。

圖 6：SC的電氣性能

圖 7：無(wú)水活體運(yùn)輸環(huán)境生理參數(shù)評(píng)估

如圖7所示，在使用SVM模型預(yù)測(cè)牡蠣的應(yīng)力水平之前，對(duì)模型因子進(jìn)行交叉驗(yàn)證優(yōu)化。交叉驗(yàn)證結(jié)果表明，gamma值為6的多項(xiàng)式核函數(shù)(poly)最適合SVM模型。在右-右-殼、左-右-殼和左-左-殼測(cè)量位置的準(zhǔn)確度分別為93.94%、93.94%和90.91%。與更厚、更不均勻的左殼相比，電極與右殼表面的粘附更緊密，電流路徑更穩(wěn)定。在右-右殼和左-右殼測(cè)量位置預(yù)測(cè)精度較高。

圖 8：無(wú)水活體運(yùn)輸過(guò)程鱘魚(yú)的應(yīng)激水平評(píng)估

基于LFWES所收集的10 h內(nèi)的真實(shí)數(shù)據(jù)，我們對(duì)鱘魚(yú)的應(yīng)激水平進(jìn)行了合理的評(píng)估。如圖8a所示，很顯然測(cè)試集預(yù)測(cè)結(jié)果呈現(xiàn)出了快速上升，大幅度波動(dòng)上升，和緩慢穩(wěn)定上升三個(gè)階段。階段之間的分界時(shí)間節(jié)點(diǎn)分別為0.73 h和7.47 h，這較好地匹配了圖7c所描述的三個(gè)應(yīng)激階段。將預(yù)測(cè)值映射至定義的應(yīng)激等級(jí)1–5，并與真實(shí)值對(duì)比，結(jié)果如圖8b所示。很顯然預(yù)測(cè)值與真實(shí)值大部分相同，誤差多分布于0值以上，表明該模型對(duì)應(yīng)激等級(jí)的評(píng)價(jià)較為嚴(yán)格。模型預(yù)測(cè)精度達(dá)到88.1%，為無(wú)水活體運(yùn)輸過(guò)程的應(yīng)激評(píng)估提供了參考。

審核編輯：劉清