1. רקע:
עם ההזדקנות הגדלה של האוכלוסייה, השכיחות הגבוהה של מחלות כרוניות והמספר ההולך וגדל של עיוותים מולדים או נרכשים בכף הרגל, הפרעות בתפקוד הגפיים התחתונות ובעיות הליכה חריגות הופכות נפוצות יותר ויותר, מהווים איום משמעותי על בריאות הציבור ואיכות החיים. ניתוח הליכה נחשב באופן נרחב לאינדיקטור ביו-מכני רגיש להערכת תפקוד הגפיים התחתונות, התקדמות המחלה ויעילות השיקום. עם זאת, הערכת ההליכה הקלינית הקיימת מסתמכת בעיקר על ציוד מעבדה כגון מערכות לכידת תנועה אופטית ופלטפורמות כוח, שהן לא רק יקרות ומוגבלות מבחינה מרחבית אלא גם לא מצליחות לשקף תנועה טבעית בתרחישים אמיתיים.
מדרסי חישת לחץ לבישים מציעים גישה חדשה מבוזרת ומתמשכת לניטור הליכה, אך טכנולוגיות קיימות עדיין מתמודדות עם שלושה צווארי בקבוק עיקריים בתרגום קליני: ראשית, חיישנים נאבקים להשיג בו זמנית רזולוציית לחץ נמוכה במיוחד וסובלנות גבוהה לעומס, מה שמקשה על כיסוי מלוא הטווח הביומכני של הסוליה, מהתאמות יציבה עדינות ועד אלימות; שנית, אספקת האנרגיה מסתמכת על סוללות מסורתיות, וכתוצאה מכך חיי סוללה בלתי מספקים וטעינה תכופה, אשר מעכבים את המשכיות הניטור לטווח ארוך; שלישית, נתוני הלחץ המרחבי-טמפורלי בקנה מידה גדול שנאספו חסרים ניתוח אינטליגנטי יעיל ומשוב בזמן אמת, מה שמגביל את היישום שלו בסריקת מחלות וקבלת החלטות קלינית. לכן, לפיתוח מערכת ניטור הליכה לבישה המשלבת חישה דיוק גבוהה, אספקת חשמל אוטונומית ואבחון מושכל הוא בעל משמעות מדעית וערך קליני רב.
2. התקדמות המחקר:
מחקר זה מדווח על מערכת מדרסים חכמה ביו-מימטית, אשר, באמצעות עיצוב שיתופי רב-תחומי, משיגה חישת לחץ צמח ברזולוציה גבוהה, סיפוק עצמי באנרגיה ואבחון הליכה אינטליגנטי בעזרת אינטליגנציה מלאכותית. בהשראת המבנה המכנו-סנסורי ההיררכי של רגל הגמל, צוות המחקר עיצב חיישן לחץ קיבולי בעל שני מיקרו-מבנה, המשלב PDMS מיקרו-מבנה עם קצף אלסטי הניתן לדחיסה. זה משיג מגבלת זיהוי נמוכה במיוחד של 0.10 Pa, טווח זיהוי רחב של עד 1.4 MPa, ושומר על יציבות מכנית מצוינת על פני 12,000 מחזורי טעינה, ביצועים גבוהים משמעותית של חיישני לחץ גמישים קיימים ועמידה מלאה בדרישות ליישומי מדרסים.
מבחינת מערכת האנרגיה, המדרס החכם משלב תא סולארי פרובסקיט וננו-סוללת ליתיום-גופרית בצפיפות אנרגיה גבוהה, ובונה מערכת אספקת אנרגיה אדפטיבית בלולאה סגורה. הוא יכול לפעול ביציבות בתנאי תאורה פנימיים וחיצוניים שונים, עם יעילות טעינת אור ממוצעת של 11.21% ויעילות אחסון אנרגיה של 72.15%, מה שמתייחס למעשה לצוואר הבקבוק של האנרגיה לפעולה רציפה לטווח ארוך של מכשירים לבישים.
ברמת עיבוד הנתונים, המערכת אוספת התפלגות לחץ מרחבית-זמנית דרך מודול אלחוטי בעל 16 ערוצים ומטמיעה אלגוריתמי בינה מלאכותית לניתוח בזמן אמת. בהתבסס על מודל יער אקראי, המערכת יכולה להשיג דיוק של 96.0% בזיהוי חריגות בקשת; בהתבסס על רשת עצבית קונבולוציונית חד-ממדית (1D-CNN), הוא יכול לסווג 12 דפוסי הליכה פתולוגיים עם דיוק של 97.6%. האפליקציה הניידת הנלווית מציגה באופן אינטואיטיבי את חלוקת שדות הכוח הדינמיים באמצעות מפות צבעוניות, ומספקת תמיכה ניתנת לפירוש ובזמן אמת להחלטות לרופאים ולצוותי שיקום.
3. סיכויי עתיד
על ידי שילוב עמוק של חישה ביומימטית ברמת דיוק גבוהה, ממשקי אנרגיה ברי קיימא ואבחון מכאני אינטליגנטי, מחקר זה בנה פלטפורמה לבישה מאומתת קלינית בלולאה סגורה, המספקת מסלול טכנולוגי חדש להקרנה מוקדמת של מחלות גפיים תחתונות, אימון שיקום מותאם אישית וניטור רפואי מרחוק. זה מדגים את הסיכויים הרחבים להפיכת מכשירים לבישים חכמים לכלי אבחון ברמה קלינית.
