近年來，醫療行業對增強現實（AR）技術的需求日益增長，這得益于其沉浸式交互環境，能夠幫助醫護人員在手術、康復、診斷、教育和治療過程中更直觀地解讀傳感數據。然而，目前與AR平臺集成的可貼膚式穿戴傳感器，更多地聚焦于人機交互（HMI）功能以實現交互體驗。此外，目前大多數與AR系統配合使用的穿戴傳感器存在剛性、笨重等問題，這限制了其在患者皮膚界面的應用，難以滿足個性化醫療監測需求。
據麥姆斯咨詢報道，針對上述挑戰，韓國科學技術院（KAIST）、韓國電子通信研究院（ETRI）等機構的研究團隊開發出一款輕薄小巧的無線無電池多軸傳感器，并將其與AR平臺集成，可對受試者的傳感數據（例如壓力、剪切力和溫度）進行可視化呈現。該系統在預防壓瘡、監測姿勢以預防椎間盤突出，以及為輪椅使用者和臥床受試者提供直觀的AR生理參數監測方面，均展現出良好的應用效果。相關研究成果以“Wireless, battery-free multi-axial sensor for augmented reality-assisted monitoring at skin interfaces”為題發表在npj Flexible Electronics期刊上。
這項研究提出的多軸傳感器包含四個三層懸臂式應變片，外部包裹有柔軟的彈性體外殼。當受到壓力與剪切力作用時，通過整合四個懸臂式應變計輸出的電信號，可獲取合成力（即壓力與剪切力）的大小及方向信息。整個系統主要分為兩部分：（1）基于近場通信（NFC）的無線傳感平臺，可實現壓力、剪切力與溫度的實時連續測量；（2）AR系統，通過智能設備對傳感數據進行可視化處理，構建沉浸式交互環境。
圖1 無電池無線多軸傳感器的示意圖與實物圖
圖2 無電池無線多軸傳感器的性能特征
為實現多用途生物醫學應用，研究人員將該系統應用于輪椅使用者和臥床受試者，并結合機器學習技術，驗證了其在以下場景中的有效性：（1）預防壓瘡；（2）監測姿勢以預防椎間盤突出；（3）通過AR系統直觀監測作用于皮膚界面的力信號。針對受試者的驗證試驗表明，得益于無線無電池技術實現的輕薄小巧設計，該多軸傳感器在多用途監測過程中表現出良好的穩定性與適配性，且未給受試者帶來任何不適感。
圖3 基于無線無電池多軸傳感器對輪椅使用者進行姿勢監測
圖4 基于無線無電池多軸傳感器對臥床受試者進行AR輔助監測
綜上所述，這項研究所提出的與AR系統集成的無線傳感平臺，能夠讓醫護人員通過AR技術即時、直觀地獲取多種隱性觸覺傳感數據。這不僅支持醫護人員快速、直觀地判斷患者健康狀況，還能幫助在醫院場景中節省時間與精力，進而緩解全球范圍內醫護人員短缺的問題。此外，該系統還可輔助醫護人員開展壓迫治療、神經損傷預防及假肢界面應用——在這些場景中，對多個部位的壓力與剪切力數值進行實時測量，對于實現精準診斷和有效治療至關重要。
然而，目前仍存在若干未解決的技術挑戰。首先，當前AR系統面臨延遲問題，這會影響傳感數據的實時可視化。為確保臨床環境中交互的流暢性與決策的及時性，必須最大限度降低這種延遲。其次，無線多軸傳感器與AR系統的集成還面臨其它挑戰，例如實現可靠的數據同步與實時分析——尤其是在涉及多個傳感器的動態環境中。此外，盡管該無線傳感器系統已被證實有效，但如何實現與人體皮膚的完美貼合，以及確保其對不同體型和動作的良好適配性，仍需進一步改進。
未來，在沉浸式交互AR環境中，將無線多軸傳感器陣列獲取的傳感數據疊加到用戶視野中，將幫助醫護人員更好地了解皮膚界面的各類生理參數（例如壓力、剪切力、溫度、心率、濕度、pH值和汗液成分），并即時評估與疾病診斷及預防相關的風險因素（例如壓瘡、椎間盤突出、下肢靜脈潰瘍、神經損傷等）。特別值得注意的是，鑒于醫護人員（例如護工和專業醫療人員）短缺已成為全球性問題，研發并驗證“傳感器-人工智能（AI）”集成預測模型對于提升醫院運營效率至關重要。未來的研究將聚焦于建立可靠的預測模型，這需要制定可擴展的全面方案，例如在醫護人員指導下開展臨床試驗，從大量受試者中收集高質量臨床數據。此外，AR系統與無線傳感平臺的集成在醫療健康領域具有巨大潛力，可廣泛應用于假肢優化、康復治療、疾病診斷、醫學教學及臨床治療等多個醫療場景。
論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41528-025-00479-4
