河北工业大学：水凝胶传感器助力步态分析，诊断帕金森氏病与偏瘫患者

传感器专家网 2022-12-16 1415

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传感新品

【河北工业大学：水凝胶传感器助力步态分析，诊断帕金森氏病与偏瘫患者】

人类的步态不仅由关节，肌肉和神经系统控制，而且还受到年龄、习惯、性别、职业和疾病等外部因素的影响。步态识别系统在身份识别，体育锻炼和医学诊断领域中起着重要作用。近年来，新兴的生物识别技术已经得到了长足的发展，但是步态特征不仅取决于先天因素，而且还与获得的生活环境密切相关，这种环境很难改变。步态分析可以为诊断多种潜在疾病提供有用的线索，实现早期诊断并指导患者康复治疗（如偏瘫和帕金森氏病）。因此，迫切需要开发可移植的人机相交互系统来监测和识别这些症状。

目前，有两种主要的步态识别方法：基于传感器的步态数据收集和基于机器视觉的步态数据收集。基于机器视觉的步态识别对数据收集的环境有更高的要求。此外，通常需要进行繁琐的操作，例如图像收集，处理和保存。然而，使用传感器的步态监测方法是一种简单有效的方法，不受外部环境因素的限制。通过与不同的深度学习算法结合使用，可以提取生理参数的特征来进行步态识别和预测。

人工智能

最近，河北工业大学胡宁教授、王子莹博士研究团队提出了一种基于氧化石墨烯-聚丙烯酰胺（GO-PAM）水凝胶的应变传感器。该传感器可用作摩擦纳米发电机（TENG）来收集机械能。基于0.02 wt％GO-PAM水凝胶的TENG输出功率高达26兆瓦，是纯PAM水凝胶膜的2.2倍。通过点亮353个发光二极管（LED）并为电子温度计供电，展现了TENG在为电动设备供电方面的能力。此外，设计了可穿戴的鞋具监测系统，其中包括鞋垫，数据处理模块和使用Python开发的PC接口。在具有不同算法的模型中，人类日常生活步态和病理步态具有人工神经网络系统的最高识别精度高达99.5%和98.2%。该系统可用于多种医疗应用，例如早期诊断，康复评估和患者治疗，为人体步态监测和识别提供了更方便的选择。

GO-PAM水凝胶膜设计为三明治结构，由银纳米线作为上电极，可拉伸的GO-PAM水凝胶膜作为中间层和铜作为下电极。该团队研究了GO的质量分数对GO-PAM水凝胶膜的电输出性能的影响，显示了具有不同掺杂GO的GO-PAM水凝胶膜的输出电压、输出电流和输出功率。与纯PAM相比，GO-PAM水凝胶膜的输出电压，输出电流和输出功率增加。当GO浓度为0.02 wt%时，输出电压，输出电流和输出功率达到了最大值（输出电压为990 V，输出电流约为63.84 μA，输出功率约为26 mW）。当GO的浓度太高时，会在膜中形成导电路径，从而导致表面电荷的流动。当外部电阻为5MΩ时，0.02 wt% GO-PAM水凝胶膜的峰值输出功率达到26 mW，是纯PAM水凝胶膜的2.2倍。

研究组针对0.02 wt% GO-PAM水凝胶研究其应变传感性能。0.02 wt% GO-PAM水凝胶在小拉伸应变范围内分别为10–60%和较大的拉伸应变范围为80–300%的相对电阻变化（ΔR/R 0）。当连续的机械拉伸在0%至80–300%的应变中应用时，GO-PAM水凝胶的ΔR/R 0增加，然后返回到0%，呈现出稳定的三角形形状，表明GO-PAM水凝胶在80–300%的拉伸应变范围内表现出良好的传感稳定性和可重复性。除此之外，还计算了GF以评估应变灵敏度。当应变范围为0–60%时，GF为2.13；当应变范围为60–200%时，GF从2.13增加到4.89。但是，随着应变范围从200%增加到300%，GF值则达到了7.97。当拉伸应变为20%时，响应和恢复时间为0.02 wt% GO-PAM水凝胶分别为0.5 s和0.6 s，简短的时间有利于对人运动的实时监测。

近年来，机器学习作为人工智能（AI）研究领域已被广泛用于数据分析和模式识别。将AI引入摩擦纳米发电机可以提高模式识别的准确性，并可以开发具有高精度和实时处理的可穿戴电子系统。在本文中，设计了一个智能鞋垫，并根据这三种算法构建了步态识别模型，该算法可用于人类日常行为步态识别和人类病态步态识别。在机器学习模型中，选择重量约60公斤的志愿者穿着智能鞋垫。收集了五个不同人类日常行为步态的电压信号，并在窗口中显示了100个信号的数据点，从而实现了实时监视并确保信号的有效性和准确性。

基于步态识别模型，机器学习方法扩展到特殊疾病的步态识别。该研究的三个机器学习模型成功地用于识别帕金森氏病，左侧偏瘫步态和右侧偏瘫步态。总体识别精度达到90%以上。经过500次对ANN的训练，测试集的识别精度达到98.2%。此外，通过建立步态监测系统，在计算机上实时显示了患者的步态波形。当患者进行步行训练时，可以将患者的活动信息数字存储在计算机上，例如步骤，步行速度等。通过分析这些数据，可以及时调整患者的培训和康复状况。该研究表明，引入机器学习辅助方法可以准确诊断疾病，提高康复训练的效率，并提供远程康复的治疗指导。

在这项研究中，研究者开发了具有高可拉伸性，可压缩性，粘附性和自我修复性的水凝胶。该水凝胶可以将其延伸至约860%，具有良好的稳定性和耐用性，可以至少回收380次。此外，它对各种材料具有很强的粘附性能，包括塑料，纸，金属，皮肤，木材和玻璃。另外，研究了基于水凝胶TENG的输出电性能，这表明TENG可以点亮353盏 LED灯并为电子温度计供电。基于水凝胶的可穿戴应变传感器也可以实时监测人类运动。在此基础上，设计了一个智能鞋垫，并基于三种算法构建了步态识别模型，该算法可用于正常和异常的步态识别。在这三个模型中，对正常步态和异常步态的ANN算法的识别精度分别达到99.5%和98.2%。总而言之，这项工作中提出的监测系统提供了一种低成本的方法，可以用于实施人工智能的医疗系统。

传感动态

【最高资助1亿！深圳要解决智能传感器产业“卡脖子”问题】

12月15日，深圳在其官方微信公众号“深圳发布”上发布《深圳市关于推动智能传感器产业加快发展的若干措施》(以下简称《若干措施》)全文。

智能传感器被业界称为“数据之母”，是物联网、大数据、人工智能以及智能制造等新一代信息技术的基础和数据来源。《若干措施》提出，深圳将从健全产业公共服务能力、构建核心技术竞争力和强化市场牵引发展能力三方面，加快发展智能传感器产业集群，促进产业迈向全球价值链高端。

在健全产业公共服务能力方面，深圳推动MEMS中试线等公共服务平台对大中小企业提供阶梯式服务价格，以具有市场竞争力的折扣价格优先为符合条件的本地智能传感器中小企业提供服务，支持专业园区为入园的中小企业提供配套成体系专业化公共服务。同步引导企业利用本地MEMS中试线等公共服务平台开展新产品开发，对企业在本地平台产生的一次性工程费(NRE费用)按照最高30%、不超过100万的标准予以补助。

值得一提的是，今年9月，光明区政府发布《深圳市光明区关于支持智能传感器产业集群高质量发展的若干措施(征求意见稿)》。光明区将支持建设一条兼具研发中试和量产能力的亚微米级8英寸MEMS中试线，重点推动深硅刻蚀、薄膜沉积、薄膜应力控制等核心制造工艺升级，形成标准工艺设计工具包(PDK)，面向市内外有关企业提供研发中试和批量代工服务。

据了解，上述中试线项目总投资额15.33亿元，建成后一条线产能可达3000片。同时，深圳市还计划将总规模50亿元的智能传感器产业基金落地光明。

在构建核心技术竞争力方面，深圳提出，争取自主解决“卡脖子”问题。对相关企业或机构开展智能传感器及EDA设计仿真工具、核心材料、先进工艺、关键设备等技术研发和产品攻关，达到国际和国内先进水平，填补国内核心技术空白，能够解决智能传感器产业“卡脖子”问题，且未获得国家资金的重点项目，根据企业自筹资金投入情况，可分阶段给予不超过总投资30%的资助，资助总额最高1亿元。

在强化市场牵引发展能力上，深圳市鼓励下游应用企业牵头开展联合攻关。采取联合申报、事后资助方式，鼓励符合一定条件的传感器应用企业结合自身需要，联合研发企业，在深研发智能传感器产品(含芯片、模组等)。对单颗年度采购额(或销售额)超过4000万元的芯片(含SoC、SiP等形态的芯片)、或单款年度采购额(或销售额)超过4000万元的智能传感器模组，按照企业年度采购额(或销售额)10%的一次性奖励，奖励总额不超过2000万元。

【投资数10亿美元,索尼计划在熊本建立图像传感器新工厂】

集微网消息，据日经亚洲评论报道，索尼正考虑在日本熊本县投资数10亿美元建设一家新的智能手机图像传感器新工厂，从台积电在该地的制造工厂采购逻辑芯片。

报道称，该计划最快于2024年动工，并于次年投产。

台积电熊本工厂是由台积电与索尼、电装的合资工厂，该厂于2022年开始建设，计划于2024年底开始投产，将生产逻辑芯片，这是图像传感器的必要组件。为了满足市场需求，除了之前的宣布采用22/28纳米工艺并将月产能提高到5.5万片12英寸晶圆外，台积电还将利用12/16纳米FinFET工艺技术增强该厂生产能力。

消息称，索尼是全球最大的CMOS图像传感器供应商，用于智能手机相机和汽车。按价值计算，它在2021年占全球市场份额的44%，远高于竞争对手三星电子的18%。

随着世界地缘政治风险不断增加以及新冠疫情引发全球供应链中断，各国不断提高制造能力，以使供应链本土化，减少供应链中断风险的发生。

【存储芯片市场惨淡！三星部分产线将改为图像传感器产线】

随着存储芯片市场持续恶化，三星电子、SK海力士、美光等DRAM三强有望在供应调节上进一步加快步伐。据悉，三星电子将在截止到12月22日的全球战略会议上讨论调整DRAM供应量的具体应对措施，重点是“自然减产”，即将内存线调整为系统半导体或晶圆代工产线，而不是人为减产。

据半导体业界透露，三星电子正在进行将京畿道华城校区第13条生产线部分转换为CMOS图像传感器（CIS）生产线。第13条生产线与存储器半导体生产线改为CIS专用的第11条产线相接。精通三星的相关人士解释说：“第11条产线和第13条产线的CIS工艺流程部分已经合并运营。根据市况，第11条产线上的CIS设备比重将提高。”

将存储半导体生产线部分转换为系统半导体生产线的事例并非首次。2017年，三星电子也曾对华城校区第11条DRAM生产线进行改造，加强CIS产能。当时，随着智能手机搭载的高清摄像头传感器需求增加，三星开始在第11条生产线投入系统半导体设备，现在改为只生产CIS而不是内存的生产线。但第13条生产线不仅是CIS，DRAM生产规模也将维持在一定水平。

此前，继SK海力士、美光之后，三星电子也开始积极应对存储器供应调节，这是因为DRAM价格下降势头比预测的要快。据市场调查企业TrendForce等预测，今年第四季度DRAM平均销售单价（ASP）将比前一季度下降23%。在现有预测值15%~18%左右的下降趋势下，跌幅扩大。有分析认为，包括数据中心在内的消费者家电、IT、移动等所有领域的需求都在减少。

对此，不仅是三星电子，SK海力士、美光等DRAM三强也积极应对DRAM价格下跌，全面减少新生产设备投资。此前，SK海力士宣布，2023年的设备投资将比前一年（估计17.47万亿韩元）减少50%，DRAM、NAND都将以现有工程产品为主进行减产。美光和Kioxia也曾提到，2023年将投资同比减少50%，分别减产20%和30%。

【台积电 1nm 新厂最早有望于 2026 年动工，2028 年量产】

12 月 16 日消息，新竹科学园区有关负责人 12 月 5 日表示，台积电未来的 1 纳米厂将落地竹科龙潭园区，龙科 3 期扩建计划的先导计划已于 11 月中旬上报，进度正常。

据台湾经济日报，竹科龙潭园区负责人王永壮表示，竹科龙潭园区三期扩建先导计划已上报，若一切顺利，目标定于 2026 年中动工建厂，这也意味台积电 1 纳米厂最快 2027 年即可完成试产、2028 年有望实现量产。

据介绍，台积电大本营在新竹科学园区，若真的想要超前部署台湾半导体先进制程，就近选择龙潭科学园区是最理想之处，并将为桃园带来上万个就业机会，进而带动桃园整个地方经济发展。

台积电此前表示 3nm 制程将于第 4 季度量产，并在明年提高营收约中个位数百分比（约 4% 至 6%）；升级版的 N3E 技术开发进度则较计划提前，预计会在明年下半年量产。

据公开资料，竹科辖下的龙潭园区基地现有从业员工数约 7000 人，整体年营业额超过 500 亿元新台币，进驻项目主要为集成电路、光电与生技产业等，目前已有包括台积电、合晶科技、苹果分公司等产业进驻。

传感财经

【12月15日传感财经分析：物联网设备概念报涨，思特奇领涨；激光雷达概念报涨，华阳集团领涨；触觉传感器概念报涨，通富微电领涨】

12月15日盘后，物联网设备概念报涨，思特奇(4.88%)领涨，青乌消防(2.16%)、国脉科技(1.91%)、直真科技《1.86%)、科瑞技术《1.81%)等个股纷纷跟涨。

12月15日盘后，激光雷达概念报涨，华阳集团(6.05%)领涨，均胜电子(4.96%)、路畅科技(2.59%)、炬光科技《1.64%)等个股纷纷跟涨。

12月15日盘后，触觉传感器概念报涨，通富微电(18.74，8.57%)领涨，苏州固得、润欣科技、汉威科技等跟涨。