CN107280633B - 一种运动疲劳评判装置及其制备方法 - Google Patents

一种运动疲劳评判装置及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种运动疲劳评判装置，包括从下至上层叠设置的汗液导向层、质子交换层和监测部件；所述汗液导向层贴于人体皮肤设置；所述监测部件上设置有传感电极以及与所述传感电极电连接的控制电路；汗液中的质子通过所述质子交换层，到达所述监测部件上，所述控制电路驱动所述传感电极检测所述汗液中的质子浓度变化信息并将所述信息转换成显示信号。本发明能实时监测人体汗液中氢离子的浓度情况，从而判断人体是否达到运动疲劳的状态，真正地实现对运动状况的提前预警，防止相关意外的发生。

Description

一种运动疲劳评判装置及其制备方法
技术领域
本发明涉及运动疲劳评判/检测技术领域，尤其涉及一种柔性可穿戴的质子快速响应传感装置。
背景技术
随着生活水平的提高，越来越多的人们开始参与各种运动，运动的形式层出不穷。但因过量运动造成的运动型疲劳也逐渐受到体育界及国际社会的日益关注，近几年运动者猝死的新闻多次见诸报端。过量的运动，会造成运动者大量出汗、脱水脱盐、肌体损伤、器官衰竭、生理信号紊乱等，其中运动过量所引发的心血管疾病是诱发猝死的主要原因。因此，对于运动量的评判将成为预防运动性猝死的有效措施。现阶段，对于运动者运动状态的评判手段主要有主观评判(主观自评和主观他评)、客观评价(生化法、脑电信号、心电信号、肌电信号、脉搏信号)。但是以上的方法普遍存在评判标准不统一、抗干扰能力弱、检测环境需求苛刻，更重要的是实时性差，大大影响了其在现实中的应用。
发明内容
本发明提供了一种柔性的运动疲劳评判装置，解决传统的主观检测与仪器检测不能实时呈现的技术缺陷，不能及时地了解自身是否运动过度的弊端。
本发明提供的一种运动疲劳评判装置，包括从下至上层叠设置的汗液导向层、质子交换层和监测部件；
所述汗液导向层贴于人体皮肤设置；
所述监测部件上设置有传感电极以及与所述传感电极电连接的控制电路；汗液中的质子通过所述质子交换层，到达所述监测部件上，所述控制电路驱动所述传感电极检测所述汗液中的质子浓度变化信息并将所述信息转换成显示信号。
其中，所述监测部件包括相互连接的传感层和固定部件，所述传感电极设置于所述传感层上；所述固定部件用于所述控制电路的安设，以及使所述汗液导向层紧贴于人体皮肤上。
其中，所述汗液导向层的材质为单向导湿织物。
其中，所述传感层的材质选自聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、热塑性弹性体、聚氨基甲酸酯、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯中的一种或几种。
其中，所述传感电极上设置有用于检测质子的敏感材料，所述敏感材料选自多壁碳管、单壁碳管、石墨烯、还原氧化石墨烯中的一种。
其中，所述传感电极电阻为10kΩ～100kΩ。
其中，所述传感层的厚度为30μm～200μm。
本发明还提供这种运动疲劳评判装置的制备方法，包括步骤：
所述汗液导向层与所述质子交换层贴合；
在所述监测部件上设置传感电极以及与所述传感电极电连接的控制电路；
使所述传感电极对应于所述质子交换层贴合。
其中，所述监测部件包括相互连接的传感层和固定部件，所述传感电极设置于所述传感层上；所述固定部件用于所述控制电路的安设，以及使所述汗液导向层紧贴于所述人体皮肤上。
其中，所述汗液导向层的材质为单向导湿织物。
其中，所述质子交换层的制备步骤包括：先用质量分数为5％的过氧化氢在70～90℃下处理0.5～2h，然后用去离子水浸泡0.5～1小时；再用质量分数为5％的稀硫酸在80℃沸煮0.5～2小时；最后用去离子水浸泡0.5～1小时。
其中，所述传感层的材质选自聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、热塑性弹性体、聚氨基甲酸酯、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯中的一种或几种。
其中，所述传感电极上设置有用于检测质子的敏感材料，所述敏感材料选自多壁碳管、单壁碳管、石墨烯、还原氧化石墨烯中的一种。
其中，所述传感电极电阻为10kΩ～100kΩ。
其中，所述传感层的厚度为30μm～200μm。
有益效果：
本发明提出一种新型的可穿戴式的柔性传感器件应用于运动型疲劳的检测。该柔性传感器应用安全可靠的封装技术，对运动中汗液的pH值实时监测，通过pH值反应汗液中乳酸的累积程度，实现疲劳程度的有效判断。该新型的可穿戴式柔性疲劳传感器穿戴舒适、信号灵敏、成本低廉、实时性好、显示方便，为过度疲劳引起的疲劳及其他意外的发生提供了可靠的监测及预警手段。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：
图1是本发明运动疲劳评判装置的结构示意图。
图2为本发明运动疲劳评判装置对pH的响应曲线。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。相同的标号在整个说明书和附图中可用来表示相同的元件。
如图1所示，本发明的运动疲劳评判装置，包括从下至上层叠设置的汗液导向层1、质子交换层2和监测部件3；
所述汗液导向层1贴于人体皮肤(图中未示出)设置；
所述监测部件3包括相互连接的传感层4和固定部件5。其中，所述传感层4和所述固定部件5上分别设置有传感电极41以及控制电路51；控制电路51与所述传感电极41电连接。汗液中的质子通过所述质子交换层2，到达所述监测部件3的传感层4上，所述控制电路51驱动所述传感电极41检测所述汗液中的质子浓度变化信息并将所述信息转换成显示信号，以便用户可以直观地了解当前人体的运动状况。
所述固定部件6用于所述控制电路61的安设，以及使整个运动疲劳评判装置穿戴于所述人体皮肤上，使得所述汗液导向层紧贴人体皮肤。
下面，将介绍该运动疲劳评判装置的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：汗液导向层和质子交换膜的预处理。
本实施例中汗液导向层采用单向导湿织物为基材。该单向导湿织物是一种智能织物，是通过内外层织物的亲、疏水性不同实现水分疏导。即单向导湿织物外层亲水而内层大部分疏水，汗液从内层小部分亲水的部位传输到织物的亲水性外层，并在外层快速蒸。外层亲水可定义为扩散面，内层疏水定义为收集面。单向导湿快干织物是一种随外界环境变化(人体产生汗液)而自动做出响应(将汗液自动排至织物外层)的织物，因此，它属于一种智能织物。
取一块单向导湿织物裁剪成4cm×4cm的正方形，分别用去离子水、无水乙醇、去离子水进行清洗，晾干备用，即为汗液导向层。
质子交换膜的预处理：取市售的质子交换膜裁剪成4cm×4cm的正方形，先用质量分数为5％的双氧水在80℃下浸泡处理1h，然后用去离子水浸泡0.5h；再用质量分数为5％的稀硫酸在80℃沸煮1h；最后用去离子水浸泡0.5h。
步骤二：制备硅基阳性模板。利用MEMS工艺(光刻、反应离子刻蚀、湿法刻蚀或深硅刻蚀)制备符合要求的硅基阳性模板。
步骤三：传感层的制备。
本实施例中将聚二甲基硅氧烷(PDMS)的母液和固化剂按10:1(质量比)进行混合，充分搅拌，脱气后，吸取一定量的混合液滴加在硅基阳性模板上，以1000rpm，保持10s的参数进行悬涂，让PDMS成型，在70℃的烘箱中固化2h。
然后通过机械力将固化的PDMS从模板上剥离，4cm×4cm的正方形备用，获得传感层。传感层厚度可以由PDMS的质量控制，优选厚度为30μm～200μm。
传感层以柔性材质为主，例如为PDMS(聚二甲基硅氧烷)、PI(聚酰亚胺)、TPE(热塑性弹性体)、TPU(聚氨基甲酸酯)、PEEK(聚醚醚酮)、PE(聚乙烯)中的一种或几种。
步骤三：在传感层上制备敏感材料。本发明的目的是需要检测汗液中质子的浓度确定pH值，由此来获得人体中乳酸浓度情况作为评判运动疲劳的依据。故此，该敏感材料应为对质子具有较高的灵敏度。
将处理好的传感层平铺，利用打印或溅射或喷涂等技术，将制备好的多壁碳管墨水制作在所述传感层上作为敏感材料。最终使传感电极51电阻控制在10kΩ-100kΩ。除此之外，所述敏感材料可以单壁碳管、石墨烯、还原氧化石墨烯中的一种。
步骤四：在固定部件上设置控制电路，并在传感层上粘接传感电极。传感电极材料为导电无纺布或者极细的漆包线，粘接材料为导电银浆。对粘接电极的部分用少量PDMS进行覆盖，做绝缘保护。从传感电极引出的导线与所述控制电路实现电连接。
固定部件的材质优选为具有弹性的柔性材质，能够方便使得整个运动疲劳评判装置贴合于人体皮肤上。
控制电路由柔性薄膜电池以及柔性薄膜电路组成。所述柔性薄膜电池可以为超薄锂离子电池、聚合物软包薄膜电池、柔性印刷线路陶瓷锂电池、超薄柔性FLCB电池中的一种，为传感电极提供稳定的工作电压。所述柔性薄膜电路，通过电子印刷、电子打印、湿网印刷等手段实现，为钠钾离子的检测信号提供必要的信号过滤。
步骤五：组装和使用。
将汗液导向层1平铺在最下层，将质子交换层2平铺在汗液导向层1亲水面(扩散面)上面，主要将人体的汗液从疏水面(收集面)导向至亲水面(扩散面)，在保持肌肤干爽的同时，快速地导出汗液。然后将传感层4平铺在质子交换层2的上面，喷有敏感材料的一面直接与质子交换层2接触。所述质子交换层，利用两边质子的浓度差将质子从一边导向另一边，同时起到隔绝杂质分子的功效。
利用胶水将三层进行粘接，只粘接相对的两个边，留下两个边用于汗液的蒸发。最后利用弹性的固定部件5(例如绑带)将汗液导向层1紧贴在手臂出汗处。
传感层上的传感电极与控制电路电连接，用于数据采集。控制电路由柔性薄膜电池以及柔性薄膜电路组成。所述柔性薄膜电池可以为超薄锂离子电池、聚合物软包薄膜电池、柔性印刷线路陶瓷锂电池、超薄柔性FLCB电池中的一种，为传感电极提供稳定的工作电压。所述柔性薄膜电路，通过电子印刷、电子打印、湿网印刷等手段实现，为钠钾离子的检测信号提供必要的信号过滤。
参照图2所示，采用本发明进行人体汗液pH值的监测，结果显示，本发明的运动疲劳评判装置的响应灵敏度曲线平台会随着pH的变小(即酸度增加)而不断抬高，即说明随着运动疲劳的累积，乳酸也会累积，汗液会逐渐变酸(pH下降)，而改运动疲劳评判装置可以实现感知pH的变化。
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。

Claims (13)

1.一种运动疲劳评判装置，其特征在于，包括从下至上层叠设置的汗液导向层、质子交换层和监测部件；
所述汗液导向层贴于人体皮肤设置；
所述监测部件上设置有传感电极以及与所述传感电极电连接的控制电路；汗液中的质子通过所述质子交换层，到达所述监测部件上，所述控制电路驱动所述传感电极检测所述汗液中的质子浓度变化信息并将所述信息转换成显示信号；
所述传感电极上设置有用于检测质子的敏感材料；
所述传感电极的设置有敏感材料的一面与所述质子交换层接触；
所述监测部件包括相互连接的传感层和固定部件，所述传感电极设置于所述传感层上；所述固定部件用于所述控制电路的安设，以及使所述汗液导向层紧贴于人体皮肤上；
其中，仅所述传感层、所述汗液导向层、所述质子交换层的其中的相对两个边粘接在一起，所述传感层、所述汗液导向层、所述质子交换层的另外的相对两个边用于汗液的蒸发。
2.根据权利要求1所述运动疲劳评判装置，其特征在于，所述汗液导向层的材质为单向导湿织物。
3.根据权利要求1所述运动疲劳评判装置，其特征在于，所述传感层的材质选自聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、热塑性弹性体、聚氨基甲酸酯、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述运动疲劳评判装置，其特征在于，所述敏感材料选自多壁碳管、单壁碳管、石墨烯、还原氧化石墨烯中的一种。
5.根据权利要求1或4所述运动疲劳评判装置，其特征在于，所述传感电极电阻为10kΩ～100kΩ。
6.根据权利要求2所述运动疲劳评判装置，其特征在于，所述传感层的厚度为30μm～200μm。
7.根据权利要求1所述运动疲劳评判装置的制备方法，其特征在于，包括步骤：
所述汗液导向层与所述质子交换层贴合；
在所述监测部件上设置传感电极以及与所述传感电极电连接的控制电路；
使所述传感电极对应于所述质子交换层贴合；
所述传感电极上设置有用于检测质子的敏感材料；
所述监测部件包括相互连接的传感层和固定部件，所述传感电极设置于所述传感层上；所述固定部件用于所述控制电路的安设，以及使所述汗液导向层紧贴于所述人体皮肤上；
其中，仅所述传感层、所述汗液导向层、所述质子交换层的其中的相对两个边粘接在一起，所述传感层、所述汗液导向层、所述质子交换层的另外的相对两个边用于汗液的蒸发。
8.根据权利要求7所述运动疲劳评判装置的制备方法，其特征在于，所述汗液导向层的材质为单向导湿织物。
9.根据权利要求7所述运动疲劳评判装置的制备方法，其特征在于，所述质子交换层的制备步骤包括：先用质量分数为5％的过氧化氢在70～90℃下处理0.5～2h，然后用去离子水浸泡0.5～1小时；再用质量分数为5％的稀硫酸在80℃沸煮0.5～2小时；最后用去离子水浸泡0.5～1小时。
10.根据权利要求7所述运动疲劳评判装置的制备方法，其特征在于，所述传感层的材质选自聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、热塑性弹性体、聚氨基甲酸酯、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯中的一种或几种。
11.根据权利要求7或10所述运动疲劳评判装置的制备方法，其特征在于，所述敏感材料选自多壁碳管、单壁碳管、石墨烯、还原氧化石墨烯中的一种。
12.根据权利要求7所述运动疲劳评判装置的制备方法，其特征在于，所述传感电极电阻为10kΩ～100kΩ。
13.根据权利要求7所述运动疲劳评判装置的制备方法，其特征在于，所述传感层的厚度为30μm～200μm。
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