一种基于拉胀超材料的肌电监测穿戴装置及其制备方法

本发明涉及肌电信号监测领域，特别涉及一种基于拉胀超材料的肌电监测穿戴装置及其制备方法。

背景技术：

1、在当前环境下，可穿戴电子监测设备发展迅速，对设备的性能要求也不断提高，如何利用现有的优化方法对其应用的效果进行提升，是人们考虑的一个重要方面，可穿戴肌电监测设备在医疗领域的应用，使医疗概念发生了巨大的改变，在运动监测领域也有着广泛的前景，包括对在运动中的身体信号进行采集来判断运动状态，及时地做出反馈来提升运动体验，在实际应用中，提升监测人体生理信号的稳定性和准确性是关键，这就要求穿戴设备与人体紧密贴合，并且还要满足在监测时穿戴设备匹配表皮的舒适性。

2、穿戴设备的种类发展迅速，但现有的普通穿戴设备在人体部位大拉伸时会产生横向过度收缩变形，这会对其中的一些传感和电极器件造成物理损害和降低监测数据的准确性，还会导致穿戴时产生过紧或者移位，造成不适感或皮肤擦伤，影响用户对设备的使用体验，也可能产生穿戴设备因变形而无法与皮肤或身体的特定部位紧密贴合，影响其正常工作，再者，人体长时间佩戴时的透气性也是重要考虑范畴。

3、因此，在开发穿戴设备时，需要解决上述问题，研发一种避免过度横向压缩的穿戴结构设备，以确保其性能良好，舒适性高以及长时间佩戴的透气性好。

技术实现思路

1、本发明寻求提供一款可穿戴肌电信号监测装置，主要提供表面接触的穿戴拉胀网格，用来避免拉伸时的横向过度收缩，以及提供自制银纳米线电极来构成穿戴肌电信号监测装置，用于解决上述背景技术中的问题。

2、一种基于拉胀超材料的肌电监测穿戴装置，包括外部穿戴拉胀超材料、银纳米线电极、采集卡、电源和蓝牙模块，外部穿戴拉胀超材料通过银纳米线电极与采集卡连接，采集卡与电源连接，蓝牙模块与采集卡通过蓝牙信号与采集卡无线连接。

3、一种基于拉胀超材料的肌电监测穿戴装置及其制备方法，包括以下步骤：

4、步骤一、超材料结构设计

5、通过对圆弧的参数进行设计，其中选取了圆弧的线径为0.5mm，胞元结构选取了纵向排列直径t＝7mm和横向排列直径t＝8mm的圆弧来进行组合设计，并且还可以调节参数θ为180°到60°来调节拉胀网格的拉伸性能，θ为圆弧的中心角，以此组成拉胀超材料的基本胞元结构，设计提出了一种对称反手性结构的拉胀超材料单元，该结构根据手性结构在拉伸时发生旋转的机制，进行反对称设计，其中拉胀单元在拉伸时上下两部分旋转方向相反从而导致中间向外突出，形成明显的大拉胀效果；

6、步骤二、样件实物制作

7、使用三维建模软件建立网格模型，对各参数优化完成后的三维模型使用creo软件进行切片，采用fdm3d打印技术对样件进行打印，打印耗材为直径0.4mm的聚乳酸pla材料，为防止打印网格在打印或取出中损坏，在设计超材料模型时，将胞元网格两边连接的长方体的高度设计为1mm，比圆弧线径0.5mm要大，以使网格结构悬空来进行支撑打印，其中支撑材料是直径为0.4mm的聚乙烯醇pva，该材料溶于水，将打印模型取出后放入水中一段时间，可以形成单独的超材料结构，这样不会损害和影响超材料网格的性能；

8、步骤三、制作聚二甲基硅氧烷pdms基片；

9、a)按10:1的重量比混合基材和固化剂，在烧杯中进行充分搅拌混合，基材为道康宁；

10、b)将混合好的基材进行静置处理1小时，当烧杯中的混合材料中没有气泡后，完成pdms基材的制造；

11、c)选取边长为2cm的两块玻璃基板擦拭干净后，将配置的pdms基材倒在玻璃基板上，使用旋涂设备进行均匀旋涂，从而形成厚度大致为2mm的pdms薄膜；

12、步骤四、电极的集成

13、a)将pdms溶液旋涂在边长为2cm的玻璃片上，在50℃烘箱中放置1小时，拿出后在pdms没有完全固化时，使用喷枪进行银纳米线的喷涂，未完全固化的pdms粘性大，更利于银纳米线在其表面附着，以防止在进行肌电信号监测时的电极过分剥落；

14、b)喷涂完毕后再次将pdms薄膜放入烘箱中，等待电极膜完全固化后取出，使用商业导电铜胶带在电极一端边缘处进行缠绕，商业导电布胶带连接到铜胶带表面后，使用绝缘胶带进行裸漏导电胶带部分的覆盖，以防止信号干扰，商业导电布胶带以铜与镍的聚酯纤维涂布；

15、步骤五、监测装置集成

16、a)将制造的两个银纳米线电极的导电布胶带裸露部分使用卡扣导线与采集卡通道连接，待测肌肉部位外表擦拭干净后，将两电极顺着肌肉并排简单固定放置在人体表面，参比电极放置在不参与肌肉运动的区域，将设计的拉胀超材料覆盖在电极及测试区域，覆盖后使用尼龙扣带连接超材料网格两端进行穿戴紧固，穿戴部分集成完毕后，进行肌电信号监测。

17、在相关监测场景下，应用于人体动作的肌电信号检测，以及分析了超材料对监测的肌电信号质量和稳定性的影响。

18、本发明的有益效果：

19、通过设计一种拉胀超结构网格材料用于穿戴监测，避免了普通穿戴设备在大拉伸时的横向过度收缩，导致监测信号质量和稳定性下降的问题。

20、采用上述穿戴结构以及监测方法有效避免了穿戴设备因变形而不再保持稳定的贴合的问题，从而提升了信号采集的稳定性。并且在长时间佩戴监测时确保了其透气性，在拉胀结构的加持下，监测肌肉做动作时保证紧密贴合皮肤的同时，还不会过度畸变产生过紧现象，从而提高穿戴舒适性。

技术特征：

1.一种基于拉胀超材料的肌电监测穿戴装置，其特征在于：包括外部穿戴拉胀超材料(1)、银纳米线电极(2)、采集卡(3)、电源(4)和蓝牙模块(5)，外部穿戴拉胀超材料(1)通过银纳米线电极(2)与采集卡(3)连接，采集卡(3)与电源(4)连接，蓝牙模块(5)与采集卡(3)通过蓝牙信号与采集卡(3)无线连接。

2.一种基于拉胀超材料的肌电监测穿戴装置及其制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的一种基于拉胀超材料的肌电监测穿戴装置，其特征在于：在相关监测场景下，应用于人体动作的肌电信号检测，以及分析了超材料对监测的肌电信号质量和稳定性的影响。

技术总结
本发明公开了一种基于拉胀超材料的肌电监测穿戴装置及其制备方法，涉及肌电信号监测领域，包括大拉胀超材料网格，其用于包裹人体被监测部位，作为主要穿戴部分；柔性银纳米线电极,其与拉胀网格接触连接包括两层，一层是PDMS薄膜，另一层为银纳米线导电层；信号采集装置，包括导线以及肌电信号采集卡，其中信号采集卡由蓝牙模块与采集卡连接后上传数据。本发明在设计的拉胀超材料的加持下，可以保证在人体大变形时在与人体表面紧密接触的同时又可以避免像普通穿戴设备在大拉伸下的过分横向收缩，来保证检测信号具有良好的稳定性和准确性，采用拉胀网格覆盖柔性银电极的检测方法，还保证了穿戴设备的透气性和舒适性。

技术研发人员：苑亚洲,马愫倩,戴靖,林兆华,梁云虹,陈博雅
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1