新型摩擦生电传感器可延缓膝关节磨损

经常蹦蹦跳跳的年轻人,或许难以体会到膝关节损伤带来的不便。如果运动方式不当,很可能导致关节的过早磨损。不过一种实验性的新植入物,有望减轻需要手术置换的麻烦。由多个机构合作开发的这种可植入式人工膝盖,配备了多个压力传感器,它能够追踪不同活动对关节施加的压力。如果不听医生的话、及时停止或改正错误的行为,可能造成膝关节的永久损伤 —— 但该装置可以在潜在的伤害发生前,通过无线的形式发送警告。

这样的设想,早已不是什么新鲜事,但它也不是没有缺点。 尽管其它有助于推迟更换人工膝盖的手术,但若装置需要频繁更换电池,一切都将变得相当不实用。为克服这个短板,研究人员为植入物设计了摩擦电能收集系统(而不是电池)。其采用集成的超级电容器,来储存膝关节两个表面之间摩擦产生的能量。

在使用步态模拟器进行的测试中(如上图所示),可知普通人的膝盖,可在日常行走时产生 6 微瓦的功率。 好消息是,这已经足够压力传感器使用(其只需 4.6 微瓦)。最终,研究人员希望,这种‘智能’植入物不仅可以延缓手术时间,亦可用于开发更持久耐用的人工膝关节。

这项研究由纽约宾厄姆顿大学助理教授Shahrzad“Sherry”Towfighian带领,其他参与者还包括石溪大学和西安大略大学的科学家们。有关这项研究的详情,已经发表在近日出版的《智能材料与结构》(Smart Materials and Structures)期刊上。

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