材料科学和工程技术（机械、电气和生物医学）领域的发展为设计具有动力学接口的柔性生物电子器件奠定了学科基础。轻薄的柔性电子器件实现了与生物组织的无缝集成，有效提升了器件的生物兼容性和佩戴舒适性，在生物医学领域具有巨大的发展潜力，目前已被广泛应用于生物医学/临床监测、刺激和表征。

大连理工大学解兆谦教授团队和美国西北大学黄永刚院士团队受邀在由工业和信息化部主管、南京理工大学主办的《国际机械系统动力学学报(英文)》（International Journal Mechanical System Dynamics, IJMSD）2021年第1期发表了具备生物医学监测、刺激和表征功能的动力学接口的柔性电子设备的综述论文。

文章总结了在生物医学背景下具有动力学接口系统的柔性电子器件领域的研究进展。认为相关创新设计实现了人体运动和生理信号的实时跟踪，并可用于健康监测、生物组织的力学特性表征、虚拟现实/增强现实（VR/AR）领域的皮肤刺激和反馈，以及生物医学植入物的能量收集。文章最后分析了该类柔性电子器件发展所面临的机遇和挑战，并展望其应用前景。

文章主要从以下几方面展开：

01 监测运动及生理信号

图1展示了具有动力学接口的可穿戴机械声学柔性电子器件在健康及运动监测领域的应用。这一类生物电子器件可以持续跟踪由呼吸、吞咽、行走或其他身体活动产生的运动及生理信号，使医疗专业人员能够远程监测患者的健康状况，有助于疾病的预防、治疗与患者的康复。

图1  可穿戴机械声学柔性电子器件在运动监测中的应用：(A)跟踪语音识别模式 (i)用镊子扭转状态下的皮肤电子器件(顶部)和安装在皮肤上并承受挤压的皮肤电子器件(底部)，(ii)安装在颈部声带上的柔性电子器件的图片，(iii)安静和嘈杂环境下使用上述设备(顶部)和外部麦克风(底部)录制的语音；经文献[1]许可转载，版权所有2016, AAAS；(B)监测生理过程和肢体运动 (i)安装在颈部的柔性电子设备图片，(ii)在单轴拉伸和扭转变形下设备的有限元结果，(iii)以60 s为间隔记录受试者在各种活动(包括坐、说话、喝水、改变身体方向、步行和跳跃)的测试数；经文献[2]许可转载，版权所有2019, Springer Nature；(C)监测COVID-19患者呼吸的生物标志物 (i)由设备、云存储和数据处理平台组成的系统运行流程图，(ii)监测新冠肺炎患者每小时咳嗽频率记录；经文献[3]许可转载，版权所有2021, PNAS

图2展示了具有动力学接口的柔性可穿戴设备在健康及运动监测领域的其他应用：包括通过机械振动的方式向受试者提供肢体运动引导和空间感知反馈，促进中风后的疾病康复；量化皮肤与皮肤之间的接触面积为人工假肢佩戴状况提供重要的反馈信息；以及重症监护中新生儿的生命体征监测。

图2  柔性可穿戴设备监测人体运动状态：(A)动觉运动引导 (i)用户佩戴低成本的动力学触觉袖套，(ii)采取空间分布动力学触觉传感器的运动引导系统，(iii)无轴质量偏心电机的简化动力学模型；经文献[4]许可转载，版权所有2010, IEEE；(B)主动生物声学测量 (i)实验中两个受试者的掌心接触，(ii)有不同接触力状态下的电信号数据；经文献[5]许可转载，版权所有2015, IEEE；(C)安装在受试者胸部的设备采集到的加速度和旋转角度测量数据：(i)仰卧和右侧卧位，非KC (kangaroo-care)抱姿和KC抱姿，(ii)柔性设备坐标轴的定义以及柔性设备与参考系之间的旋转角度；经文献[6]许可转载，版权所有2020, Springer Nature。

02  表征生物组织力学性能

在生物医学领域，对生物组织疾病进行治疗或评估时，通常需要准确了解生物组织的力学性能以诊断评估对象的健康情况。生物组织力学性能的活体无创（微创）测量十分重要。通过创新性力学设计的可延展柔性生物电子器件具有良好的皮肤/组织兼容性，是无创（微创）生物体内组织力学性能表征的理想选择。图3展示了具有动力学接口的柔性生物电子器件在表征生物组织力学特性方面的具体应用。

图3 具有动力学接口的生物电子学在表征生物组织力学性能的应用：(A)深层组织的生物力学表征 (i)指尖上的毫米级机电装置图片，(ii)安装在人体不同位置的设备图像，(iii)不同尺寸设备的模拟(FEA，线)和测量(E，圆)Vs值，其中D是传感器的直径；经文献[7]许可转载，版权所有2021, Springer Nature；(B)通过靶向活检针实时定量测量组织模量 (i)安装在皮肤的设备图片，(ii)病变区域的皮肤照片和正常条件下的皮肤照片，采用在5V驱动电压和1 kHz频率时的模量测量值；经文献[8]许可转载，版权所有2015, Springer Nature；(C)确定单一贴壁细胞质量和模量的可调谐振动结构 (i)带有“细胞”的振动结构，(ii)共振频率与“细胞”的质量和模量之间的关系；经文献[9]许可转载，版权所有2020, Materials Research Society；(D)在体测量表皮近表面区域的粘弹性 (i)柔性针状超薄压电微设备的图像，(ii)大鼠的活体和离体相同组织模量的测量结果；经文献[10]许可转载，版权所有2018, Springer Nature｡

03 刺激皮肤的动力学接口

皮肤是人体面积最大的感觉器官，在人与外界的交互中起着关键作用。传统的虚拟现实和增强现实（VR/AR）技术的主要关注用户的视听交互体验。而在VR/AR中，皮肤触觉在很大程度上仍未被探索。图4展示的是带有动力学接口的可穿戴柔性生物电子器件通过可编程振动实现了复杂的虚拟触觉，将其应用于医疗、社交媒体、娱乐则可显著增强VR/AR体验。

图4 VR/AR领域中可刺激皮肤的具有动力学接口的柔性电子设备：(A)用于AR和VR的皮肤集成无线触觉接口 (i)表皮VR设备在弯曲下的光学图像(顶部)和相应的FEA结果(底部)，(ii)激励器结构设计的俯视图和横截面图，(iii)激励器的光学图像和振动幅值，该设备产生触觉模式("思考和感觉")，(iv)通过机械手("感知")感知物体的形状特征("反馈")；经文献[11]许可转载，版权所有2019, Springer Nature；(B)用于高度沉浸式虚拟现实的多模式手套 (i)多模式传感和反馈手套的内部结构图，(ii)触摸和推动加热到45°C木材和55°C的金属时的虚拟感官重建，(iii)红线和蓝线分别代表食指的温度响应和振动水平；经文献[12]许可转载，版权所有2020, Wiley-VCH Verlag；(C)电动假肢上臂中虚拟本体感觉的多模式感官反馈 (i)使用多模式感官反馈袖套的三种机械旋转显示模式，(ii)振动-旋转反馈提供的接触力、表面粗糙度及连接角度的实验数据；经文献[13]许可转载，版权所有2017, IEEE。

使用动力学接口进行皮肤刺激的生物电子器件，不仅被应用于VR/AR领域，也被广泛应用于人工智能领域。图5展示了几种人工智能领域中利用生物电子动力学接口进行皮肤刺激的应用。

图5 人工智能领域中具有动力学接口的电子设备进行皮肤刺激的应用：(A)用于人机交互的低成本振动反馈传感器手套 (i)五个振动电机(VM)、惯性测量单元(IMU)及手套传感器的位置示意图，(ii)手套传感器的不同抓握姿势，(iii)机械遥控手；经文献[14]许可转载，版权所有2016, IEEE；(B)可穿戴式振动反馈加速的人体运动学习服 (i)实验中使用的8个触觉动力学接口的放置位置，(ii)用户坐在桌子的末端，手臂放在桌子上模仿动作，对面的电脑屏幕显示静止和移动的视频图像供他们模仿；经文献[15]许可转载，版权所有2007, IEEE；(C)杂乱环境下基于可穿戴触觉反馈的机器人远程操作，为了演示在混乱的环境中触觉反馈的控制和有效性，12名参与者被要求控制机器人的运动，来抓住一个放置在不同障碍物后面的物体。(i)实验结果：SW：有触觉反馈的软障碍，SN：没有触觉反馈的软障碍，HW：有触觉反馈的硬障碍，HN：没有触觉反馈的硬障碍，(ii)启用触觉的远程操作系统的示意图；经文献[16]许可转载，版权所有2017, IEEE。

04 生物医学领域的能量收集

可穿戴和植入式生物电子设备通过提供个性化的健康监测在提高患者的生活质量方面发挥着重要作用。大多数可穿戴设备的能源供应依赖于锂电池，而锂电池储能不足，难以进行小型化集成，无法满足长时间连续运行的要求。一类能够进行能量收集的具有动力学接口的生物电子设备应运而生，这类电子设备能够充分利用结构振动进行精确的生物传感、能量收集及许多新兴应用。图6展示了几种能够进行能量收集的具有动力学接口的生物医学植入设备。

图6 生物医学领域可植入设备的能量收集：(A)三维可调多尺度多稳定振动微平台 (i)双层3D结构在三种稳定状态下的扫描电子显微镜图像和有限元分析结果，比例尺：500 µm，(ii)振动模态的有限元分析，绿色：0°相位，灰色：180°相位，此外，为了清晰起见，图中的幅度已被放大，(iii)实验测量数据与仿真结果的对比图；经文献[17]许可转载，版权所有2017, Wiley-VCH Verlag；(B)用于生物医学植入的三维压电聚合物微系统 (i)二阶分形曲线、比例尺、500 μm的超低刚度聚偏氟乙烯细观结构的有限元分析和相应的SEM图像，(ii)实验中三维压电能量收集设备植入小鼠后腿的光学图像，(iii)鼠标小跑时的输出电压；经文献[18]许可转载，版权所有2019, Springer Nature；(C)压缩屈曲形成的微结构的振动特性 (i)由预应变收缩引起的屈曲结构平面外振动和平面内振动的图像，(ii)二维结构90°顶角的一阶平面内模态和一阶平面外模态(绿色：0°相位，灰色：180°相位)示意图，(iii)其中将对应的归一化线性固有频率作为压缩应变函数，其他具有代表性的3D结构，例如带状结构；经文献[19]许可转载，版权所有2018, Elsevier；(D)三维介观结构中的机械活性材料 (i)桌状结构，(ii)不同振动模式下的幅频响应，(iii)不同谐振模式下的桌状结构的有限元模型；经文献[20]许可转载，版权所有2018, AAAS｡

05 未来展望

具有动力学接口的柔性电子产品在广泛应用前仍面临诸多挑战，如，设计并集成丰富的多功能单元以及在有限空间的微型设备中实现个性化定制；通过研发先进材料和结构设计来实现便携、超轻、柔性、无电池的无线实时持续健康监测微系统；开发处理生理信号的机器学习算法，从柔性生物电子设备中有选择地准确提取健康相关的信息，与力学和结构设计一起实现理想的替代监测方案等。总之，在先进材料、结构设计和制备技术方面学者的协同努力下方可实现下一代具有动态接口的柔性电子器件在生物医学领域的应用。

KEYWORDS

vibration dynamics; flexible and stretchable electronics; wearable devices; health monitors; energy harvesters

DOI: 10.1002/msd2.12017

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Cite this article:

Guo X, Avila R, Huang Y, Xie Z. Flexible electronics with dynamic interfaces for biomedical monitoring, stimulation, and characterization. International Journal of Mechanical System Dynamics. 2021;1:52-70.

作者介绍

郭  旭

大连理工大学工程力学系在读博士研究生。研究方向为虚拟/增强现实中触觉激励器的创新性力学设计及其集成化可穿戴柔性电子器件设计。

Raudel Avila

美国西北大学机械工程系在读博士研究生。研究方向主要集中于生物集成电子器件中的力学及电磁学创新设计。在Science Advances、PNAS、Advanced Materials等期刊发表论文40余篇，Google Scholar论文引用900余次。

黄永刚

美国科学院院士、美国国家工程院院士、美国艺术与科学院院士、欧洲科学院院士、中国科学院外籍院士，美国西北大学冠名讲席教授。主要研究领域是材料和电子器件的力学行为，他和合作者共同开创了可延展无机电子器件领域，并创立了基于微观机制的应变梯度理论。在国际期刊发表论文600余篇，其中近20篇在《科学》和《自然》杂志发表。

解兆谦

大连理工大学工程力学系教授、博导。国家级人才青年项目获得者、辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才、大连市杰出青年科技人才。研究工作主要聚焦于柔性电子的创新性力学设计、理论及其在生物医学领域的应用，以第一/通讯作者在Nature、Science、Nature Biomedical Engineering、Nature Neuroscience、Neuron、Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials等期刊发表论文50余篇。研究工作多次受到Nature、Science、ScienceDaily、US news、CNN、MIT Technology Review、IEEE Spectrum、中国日报网、新华网等专业期刊及媒体的报道。

期刊简介

IJMSD由来自12个国家的15位院士、14位国际学会主席、13位其他国际期刊主编等53位科学家和国际出版巨头美国Wiley出版社合作创立。主编为南京理工大学芮筱亭院士，3位合作主编分别是加拿大皇家学会会士、加拿大工程院院士、欧洲科学院院士、加拿大麦吉尔大学Marco Amabili院士，国际理论与应用力学联盟(IUTAM)前司库、国际多体系统动力学协会(IMSD)前主席、德国斯图加特大学Peter Eberhard教授和美国工程院及科学院两院院士、英国皇家学会外籍院士、欧洲科学院外籍院士、中国科学院外籍院士、美国工程科学协会前主席、美国西北大学Yonggang Huang院士。

IJMSD旨在用机械系统动力学科学与技术为现代装备设计、制造、试验、评估和使用全生命周期性能的提升提供先进的理论、软件、方法、器件、标准，为全球科学家和工程专家提供广泛的机械系统动力学国际交流平台。IJMSD强调从“系统”视角及系统级工具理解动力学，所涉及的机械系统不仅包括各种不同尺度的机械系统和结构，还包括具有多物理场/多学科特征的综合机械系统。

目前，IJMSD 已被ESCI, Scopus, Inspec, DOAJ等收录。2023年免收出版费，并为已录用稿件免费提供专业语言润色服务，欢迎全球科学家投稿交流。

期刊主页：

https://onlinelibrary.wiley.com/journal/27671402

投稿网址：

‍https://mc.manuscriptcentral.com/ijmsd‍

编辑部邮箱：office@ijmsd.net

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