低成本智能尿布:可通知護理人員更換潮溼尿布

2020-12-26 環球創新智慧

導讀

據美國麻省理工學院官網近日報導，該校研究人員開發出一款「智能」尿布，內置溼度傳感器，在尿布潮溼時會通知家庭護理人員為嬰兒更換尿布。

背景

一些嬰兒會大哭大鬧地要求立即更換潮溼的尿布，而另一些卻能不吵不鬧地長時間忍受潮溼的尿布。可是如果潮溼的尿布穿得太久，就會引起令人痛苦的皮疹，嬰兒和父母都會因此感到非常難受。

創新

近日，美國麻省理工學院的研究人員們開發出一款「智能」尿布，內置溼度傳感器，在尿布潮溼時會通知家庭護理人員。當傳感器檢測到尿布潮溼時，它會向鄰近的接收器發送一個信號，接收器進而向智慧型手機或者電腦發送一個通知。

（圖片來源：麻省理工學院）

該傳感器由放置在高吸水樹脂層下的一個無源射頻識別（RFID）標籤組成。高吸水樹脂是一種一般用於在尿布中吸收水分的水凝膠。當水凝膠變溼時，這種材料會擴張並變得輕微導電，足以觸發 RFID 標籤發送一個無線電信號給一米之外的 RFID 閱讀器。

（圖片來源：參考資料【1】）

研究人員表示，這款設計首次演示了用水凝膠作為功能天線元件，在採用 RFID 的尿布中感測溼度。他們評估認為，傳感器的製造成本低於2美分，是其他智能尿布技術的低成本、一次性替代品。

隨著時間推移，智能尿布可以幫助記錄並識別某些健康問題，例如便秘和尿失禁的跡象。這種新型傳感器對於工作在新生兒病房並且一次要照顧多個嬰兒的護士來說特別有用。

麻省理工學院 AutoID 實驗室研究助理 Pankhuri Sen 設想這款傳感器也能集成到成人尿布中，服務那些可能無法意識到或者不好意思報告需要更換尿布的人。

Sen 表示：「尿布不僅可用於嬰兒，也可以用於老年人，或者長期臥床以及無法照顧自己的那些病患。在這些情況下，它可以方便家庭護理人員得知病患，特別是多病床醫院中的那些病患，更換尿布。」

麻省理工學院機械工程系研究生、這項研究的合作者 Sai Nithin R. Kantareddy 補充道：「這將預防老年人與嬰兒的皮疹以及某些感染例如尿路感染。」

Sen、Kantareddy 以及他們麻省理工學院的同事包括 Rahul Bhattacharryya 和 Sanjay Sarma，還有密西根州立大學的 Joshua Siegel 於2月13日將他們的研究成果發表在《IEEE Sensors》雜誌上。

技術

貼紙感測

許多現成的尿布以條帶的形式加入溼度指示器，條帶印刷在尿布外面，受潮時會改變顏色，這種設計通常需要脫下多層衣服才能看到真正的尿布。

研究智能尿布技術的公司正考慮無線或者內置藍牙的溼度傳感器，這些裝置可附著在尿布外面，並伴有笨重的電池來為長距離連接到網際網路供電。這些傳感器設計是可重用的，需要家庭護理人員在將傳感器固定到每片新尿布上之前，移除和清潔傳感器。Sen 估計，目前為智能尿布而研發的傳感器零售價超過40美元。

相比而言，RFID 標籤是低成本和一次性的，能以一卷卷貼紙的形式印刷，類似條形碼標籤。Sarma 創辦的麻省理工學院 AutoID 實驗室一直都處於 RFID 標籤開發的前沿，他們的目標是採用 RFID 標籤將我們的物理世界與網際網路連接起來。

典型的 RFID 標籤擁有兩個元件：用於反向散射射頻信號的天線與存儲標籤信息（例如標籤所粘貼的特定產品）的晶片。RFID 標籤無需電池：它們以 RFID 閱讀器發射的無線電波的形式接收能量。當 RFID 標籤採集到這個能量時，它的天線激活 RFID 晶片，稍微調整無線電波，將信息編碼在無線電波中，並將信號發回給閱讀器。舉例來說，這就是貼上 RFID 標籤的產品是如何被識別和追蹤的。

（圖片來源：麻省理工學院）

Sarma 的課題組一直都在研究讓 RFID 標籤不僅可以作為無線追蹤器，也可以作為傳感器。最近，作為麻省理工學院工業聯絡項目的一部分，團隊開始與位於南美的一家尿布生產商 Softys 合作，研究 RFID 標籤如何可以被配置為尿布中低成本、一次性的溼度探測器。研究人員訪問了這家公司的一間工廠，了解了尿布製造過程中所涉及的機械和裝配，然後返回麻省理工學院設計了這款可能合理整合到尿布製造工藝中的 RFID 傳感器。

標籤，就是你！

他們提出的這個設計方案可以集成到普通尿布的底層。傳感器本身看起來像一個蝴蝶結，蝴蝶結中間是一款普通 RFID 晶片，它連接蝴蝶結的兩個三角形，每一個三角形都是由水凝膠高吸水樹脂（SAP）製成。

一般來說，SAP 是一種絕緣材料，也就是說，不導電。但是當水凝膠變潮溼時，研究人員發現材料的特性發生了改變，水凝膠開始導電。它的導電性非常弱，但卻足以響應環境中的任何無線電信號，例如 RFID 閱讀器發射的那些。這種相互作用產生了可啟動傳感器晶片的小電流，然後像典型的 RFID 標籤一樣工作，稍微調整無線電信號，並將含有信息（這個案例中，信息就是尿布潮溼。）的信號發回給閱讀器。

研究人員發現，為傳感器增加少量的銅，可以提升傳感器的導電性，因此標籤與閱讀器之間的通信距離可達到1米之外。

為了測試傳感器的性能，他們在新生兒尺寸的尿布底層中放置了一個標籤，把每個尿布裹在一個真人尺寸的玩具娃娃上，向玩具娃娃中灌入鹽水，其導電性類似人體體液。他們以不同的朝向（例如平躺或者坐直）將玩具娃娃放置在離 RFID 閱讀器不同距離的地方。他們發現，當尿布完全潮溼時，他們設計的這款放置到新生兒尺寸的尿布中的特殊傳感器，能激活一個1米之外的閱讀器並與之通信。

Sen 設想，連接到網際網路的 RFID 閱讀器可放置在嬰兒房間中，以檢測溼尿布，並在需要更換尿布時，發送通知至家庭看護人員的手機或者電腦。她表示，老年患者也會得益於智能尿布，小型 RFID 閱讀器甚至可能會附著在輔助裝置例如手杖和輪椅上，以採集標籤的信號。

關鍵字

標籤、傳感器、RFID

參考資料

【1】Pankhuri Sen, Sai Nithin R. Kantareddy, Rahul Bhattacharyya, Sanjay E. Sarma, Joshua E. Siegel. Low-cost diaper wetness detection using hydrogel-based RFID tags. IEEE Sensors Journal, 2019; 1 DOI: 10.1109/JSEN.2019.2954746

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