自供電傳感器將頸部張力轉(zhuǎn)換為電脈沖，以檢測(cè)運(yùn)動(dòng)員的頭部創(chuàng)傷。

Nelson Sepúlveda坐在斯巴達(dá)體育場(chǎng)（Spartan Stadium）的看臺(tái)上，看著他的家鄉(xiāng)密歇根州球員與來(lái)自密歇根大學(xué)（University of Michigan）的跨州足球?qū)κ诌M(jìn)行對(duì)決，這時(shí)他有了一個(gè)科學(xué)頓悟。

也許他多年來(lái)一直致力于研究的納米技術(shù)——被稱為鐵電納米發(fā)電機(jī)的薄如紙?jiān)O(shè)備——可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，可以幫助這些運(yùn)動(dòng)員免受創(chuàng)傷性腦損傷的蹂躪。

Sepúlveda是密歇根州立大學(xué)的一名電氣工程師，他用自己的微型能量收集平臺(tái)制造了自供電揚(yáng)聲器、靈活的麥克風(fēng)和電子紡織品。現(xiàn)在他想把這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到腦震蕩監(jiān)測(cè)的問(wèn)題上。

“我認(rèn)為這是迄今為止我們發(fā)現(xiàn)的這項(xiàng)技術(shù)的最佳應(yīng)用，”他說(shuō)。

現(xiàn)有的腦震蕩安全協(xié)議規(guī)定，參與場(chǎng)內(nèi)碰撞的球員必須在重返賽場(chǎng)前接受頭部創(chuàng)傷癥狀的醫(yī)學(xué)評(píng)估，但該系統(tǒng)很容易操作，它忽略了許多可能對(duì)大腦造成長(zhǎng)期影響的潛意識(shí)打擊。

裝有傳感器的頭盔和護(hù)目鏡可以收集加速度測(cè)量數(shù)據(jù)，以便更定量地測(cè)量頭部的沖擊力。因此，這些嵌入式傳感器并不總是能夠提供頭骨內(nèi)部發(fā)生的事情的準(zhǔn)確圖像，即使有人真的敲響了警鐘。

Sepúlveda說(shuō)：“你最終會(huì)得到很多錯(cuò)誤的讀數(shù)。” 他認(rèn)為，更好的選擇是將可穿戴的貼片直接貼在頸部周圍的皮膚上。Sepúlveda和他的學(xué)生們?yōu)榕鲎矞y(cè)試假人配備了四個(gè)壓電裝置，一個(gè)在喉嚨上，一個(gè)在頸背上，另一個(gè)在頸部?jī)蓚?cè)。他們?cè)诩偃松线M(jìn)行了模擬揮鞭樣損傷實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)創(chuàng)可貼大小的貼片準(zhǔn)確捕捉到了腦損傷的指標(biāo)。

傳感器將施加在頸部的拉伸應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電壓脈沖。通過(guò)植入假人鼻孔內(nèi)的加速計(jì)測(cè)量，電輸出被證明能夠高度預(yù)測(cè)頭部深處的旋轉(zhuǎn)力。

Sepúlveda和他的同事在《科學(xué)報(bào)告》雜志上發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)。著眼于商業(yè)應(yīng)用，研究人員現(xiàn)在正在將其傳感器用于無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。他們還將這些設(shè)備封裝在保護(hù)材料中，保護(hù)技術(shù)免受汗水和其他污垢的影響。隨后應(yīng)在人體運(yùn)動(dòng)員身上進(jìn)行試驗(yàn)。

Sepúlveda指出，與國(guó)家足球聯(lián)盟和其他體育協(xié)會(huì)開(kāi)始采用的各種智能頭盔和護(hù)齒技術(shù)相比，他的頸部傳感器系統(tǒng)有幾個(gè)潛在的好處。

由于Sepúlveda的設(shè)備是自供電的，因此沒(méi)有電池可以更換或充電。相比之下，一些智能保護(hù)設(shè)備在每場(chǎng)比賽后都需要充電。他的貼片制造成本低廉，這應(yīng)該是一種更具成本競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。（Sepúlveda預(yù)計(jì)零售價(jià)將遠(yuǎn)低于其他傳感器支持的可穿戴設(shè)備的99美元以上。）這種貼片也應(yīng)該適用于高沖擊運(yùn)動(dòng)，因?yàn)檫@些運(yùn)動(dòng)通常不戴防護(hù)頭套等。因此，該技術(shù)可能有助于將實(shí)時(shí)腦震蕩檢測(cè)擴(kuò)展到足球、啦啦隊(duì)和任何其他活動(dòng)。

然而，Sepúlveda承認(rèn)他的設(shè)計(jì)有一個(gè)局限性。這種貼片不能捕捉到直接壓迫頸部而不扭曲頸部的頭對(duì)頭損傷，比如橄欖球比賽中的擦傷或?qū)Ψ竭吘€隊(duì)員之間的碰撞。

盡管如此，并不是每個(gè)腦震蕩研究人員都相信可穿戴頸部傳感器是最佳的發(fā)展道路。

“我同意他們的結(jié)論，即測(cè)量頭盔中的加速度本身就有噪音，而且容易出錯(cuò)。然而，我認(rèn)為他們的頸部傳感器做得并沒(méi)有更好，”XOnano Smartfoam公司總裁兼首席工程師Jake Merrell說(shuō)，XOnano Smartfoam是一家為智能頭盔開(kāi)發(fā)壓電襯墊的公司。“當(dāng)你將測(cè)量與影響位置分開(kāi)時(shí)，正如他們所做的那樣，你會(huì)引入很多潛在的錯(cuò)誤。”

這就是為什么Barclay Morrison在哥倫比亞大學(xué)（Columbia University）研究腦損傷的生物力學(xué)，他仍然喜歡使用高科技護(hù)齒器來(lái)收集有關(guān)碰撞速度、方向、力、位置和嚴(yán)重程度的信息。

“因?yàn)樯舷骂M骨與頭骨是同一塊骨頭，”他說(shuō)，“數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確地展示出頭骨加速度。”

然而，Sepúlveda和他的團(tuán)隊(duì)對(duì)這個(gè)想法進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)它聽(tīng)起來(lái)很空洞。在未公開(kāi)的實(shí)驗(yàn)中，他們?cè)噲D將納米發(fā)電機(jī)放在假人的嘴里，以及鼻子上。根據(jù)Sepúlveda的說(shuō)法，沒(méi)有其他貼片的位置像頸部那樣精確。

一個(gè)被稱為共識(shí)頭部加速度測(cè)量實(shí)踐（Consensus Head Acceleration Measurement Practices，CHAMP）小組的專家聯(lián)盟目前正在開(kāi)發(fā)最佳實(shí)踐，以幫助碰撞傳感器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)人員收集、報(bào)告和分析運(yùn)動(dòng)中的頭部加速度數(shù)據(jù)。Andrew McIntosh是澳大利亞撞擊損傷生物力學(xué)專家，也是該組織的成員。

在他看來(lái)，“壓電式傳感器在測(cè)量運(yùn)動(dòng)和向人們提供反饋方面有很大的應(yīng)用范圍。”但他保留了對(duì)MSU系統(tǒng)的判斷，直到人類受試者的數(shù)據(jù)可用為止。

“這是在一個(gè)非常早期的階段，”他說(shuō)。

McIntosh看到了這項(xiàng)技術(shù)的潛力，盡管它包括對(duì)運(yùn)動(dòng)損傷的診斷和預(yù)防，而不僅僅是對(duì)頭部的損傷。例如，考慮膝蓋韌帶損傷。許多運(yùn)動(dòng)員因膝關(guān)節(jié)重復(fù)性應(yīng)力而出現(xiàn)扭傷或撕裂，MSU貼片可以幫助這些人監(jiān)測(cè)過(guò)度使用勞損的早期跡象或損傷誘導(dǎo)形式的指標(biāo)。

“所以，我不會(huì)認(rèn)為它只是測(cè)量頭部運(yùn)動(dòng)學(xué)的一種替代方法，”McIntosh說(shuō)，“我會(huì)將其視為運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和預(yù)防受傷期間許多實(shí)際情況的通用傳感器。”