做牙齒矯正的同學(xué)是否想過，我們還可以利用我們的牙套來進(jìn)行信息輸出，包括打字，控制儀器，甚至彈鋼琴！
我們知道，鍵盤和觸摸屏廣泛用于控制電子設(shè)備，但對于有靈巧缺陷或神經(jīng)系統(tǒng)疾病的個(gè)人來說，這些設(shè)備可能很難操作。人們開發(fā)了各種技術(shù)，包括語音識別、眨眼跟蹤、頭部運(yùn)動(dòng)跟蹤、舌頭驅(qū)動(dòng)的交互和大腦-計(jì)算機(jī)接口，以幫助人們控制電子設(shè)備。然而，許多輔助技術(shù)在設(shè)備使用和維護(hù)方面存在問題。例如，語音識別需要大的操作內(nèi)存、最新的硬件和低噪音的操作環(huán)境；眼睛跟蹤需要在用戶面前安裝一個(gè)攝像頭，校準(zhǔn)過程繁瑣且容易疲勞；并且頭部運(yùn)動(dòng)跟蹤排除了患有神經(jīng)疾病的用戶。近年來，腦-計(jì)算機(jī)接口有了很大改進(jìn)，但該技術(shù)需要笨重的有線儀器和高度的侵入性。
在牙科研究中，咬合力常被用作評估咀嚼功能的參數(shù)。牙齒咬合可提供高精度控制，且只需很少的技能。因此，一個(gè)包含集成壓力傳感器的牙套來檢測咬合模式并將其轉(zhuǎn)換為輸入可能是現(xiàn)有輔助技術(shù)的一個(gè)有希望的替代方案。這需要靈活、生物相容、低功耗且允許分布式傳感的壓力傳感器。可拉伸光學(xué)壓力傳感器，特別是分布式光纖(DOF)壓力傳感器，由于其高生物相容性、無電磁干擾以及能夠監(jiān)測沿光纖傳輸路徑的空間分布和隨時(shí)間變化的壓力，對測量咬合模式具有吸引力。然而，現(xiàn)有的光纖壓力傳感器需要外部光源，從而增加了系統(tǒng)尺寸和功耗。
成果簡介
鑒于此，新加坡國立大學(xué)劉小鋼和清華大學(xué)周斌等人報(bào)告了一種咬合控制光電系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用集成在牙套中的機(jī)械發(fā)光驅(qū)動(dòng)的分布式光纖（mp-DOF）傳感器。該傳感器由一系列彈性波導(dǎo)組成，其中嵌入了含有不同顏色的壓力響應(yīng)磷光體的機(jī)械發(fā)光接觸墊。這些傳感器集成到牙套中，以創(chuàng)建咬合控制的交互式電信系統(tǒng)。
交互式牙套的設(shè)計(jì)
研究人員設(shè)計(jì)了一種光纖，在幾個(gè)預(yù)定位置嵌入了各種摻雜過渡金屬的硫化鋅(ZnS)磷光體。向ZnS基質(zhì)中分別摻雜Cu2+/Mn2+ (595 nm)、Cu2+(525 nm)和Cu+ (475 nm)可以調(diào)節(jié)橙色、綠色和藍(lán)色機(jī)械發(fā)光發(fā)射。之所以選擇ZnS磷光體，是因?yàn)樗鼈兙哂袕?qiáng)烈的機(jī)械發(fā)光，不需要預(yù)輻照，并且可以回收。
除了原色之外，還可以通過改變?nèi)N磷光體的組成來產(chǎn)生第二種顏色。當(dāng)向光纖外部施加分布式壓縮時(shí)，機(jī)械響應(yīng)磷光體發(fā)射不同波長的光，該光通過全內(nèi)反射沿光纖傳播。研究人員利用這種設(shè)計(jì)原理來制造一種交互式牙套，它包括一個(gè)集成的mp-DOF陣列、一個(gè)柔性印刷電路板和一個(gè)柔性聚對苯二甲酸乙二醇酯基底。
圖|基于mp-DOF傳感器的交互式牙套設(shè)計(jì)
可檢測多種咬合模式
開發(fā)的交互式牙套可以檢測各種咬合模式。此外，為了設(shè)計(jì)咬合模式并使其盡可能可行，研究人員在改進(jìn)過程中使用了典型成人牙齒的輪廓。需要注意的是，如果同時(shí)咬兩個(gè)以上的護(hù)墊，會(huì)產(chǎn)生更多的圖案。不同的咬合軌跡通過特定的配色方案產(chǎn)生機(jī)械發(fā)光，顏色傳感器記錄CIE三刺激值。開發(fā)了經(jīng)過訓(xùn)練的兩層前饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)，以根據(jù)三刺激值(X1，Y1，Z1，X2，Y2和Z2)區(qū)分21種復(fù)雜的咬合模式。因此，在不需要外部光源的情況下，通過測量光纖系統(tǒng)中不同顏色發(fā)射的強(qiáng)度比，利用mp-DOF可以映射咬合期間彈性護(hù)口器在特定節(jié)段的壓縮和變形。
圖|mp-DOF集成交互式護(hù)齒套的評估
用于輔助技術(shù)的交互式牙套
通過將交互式牙套與藍(lán)牙模塊配對，可以將實(shí)時(shí)咬合模式分類并發(fā)送到外部設(shè)備以執(zhí)行適當(dāng)?shù)牟僮鳎虬l(fā)送到自定義移動(dòng)應(yīng)用程序以顯示和收集數(shù)據(jù)。例如，用戶可以通過咬具有特定咬合軌跡的牙套來連接手機(jī)應(yīng)用程序以撥打緊急電話。該交互式牙套還可以用作遙控手柄，例如遙控輪椅。通過添加藍(lán)牙模塊，用戶可以控制輪椅轉(zhuǎn)彎、速度和剎車，以及在標(biāo)準(zhǔn)的400米跑道上導(dǎo)航。驗(yàn)證測試顯示，交互式牙套的響應(yīng)時(shí)間小于0.12?s。
此外，研究人員演示了如何使用該系統(tǒng)控制定制的虛擬鍵盤來播放“生日快樂”的曲調(diào)，準(zhǔn)確率達(dá)98.2%。值得注意的是，牙套易于使用；經(jīng)過70次訓(xùn)練，可以達(dá)到較高的護(hù)齒熟練程度。
圖|輔助技術(shù)演示
小結(jié)：
綜上所述，本文報(bào)道了一種用于電腦、智能手機(jī)和輪椅咬合控制操作的交互式牙套。牙套使用含有機(jī)械刺激響應(yīng)的磷光體接觸墊，在壓縮時(shí)會(huì)發(fā)出不同顏色的光，并使用mp-DOF傳感器檢測佩戴者不同咬合模式產(chǎn)生的光信號。當(dāng)與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合時(shí)，DOF傳感器能夠準(zhǔn)確識別電子設(shè)備操作的復(fù)雜咬合模式，而發(fā)光強(qiáng)度可以作為另一個(gè)可控參數(shù)輕松與色度解耦。牙套很輕（重量小于7?g），結(jié)構(gòu)緊湊，使用生物相容性材料，提供高力靈敏度和精確控制，只需很少的訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)。然而，應(yīng)注意的是，盡管牙套中與人體皮膚接觸的部分（如PDMS和聚氨酯彈性體）被認(rèn)為具有生物相容性，但在使用前仍必須測試其是否符合相關(guān)醫(yī)療器械標(biāo)準(zhǔn)。
參考文獻(xiàn)：
Hou, B., Yi, L., Li, C. et al. An interactive mouthguard based on mechanoluminescence-powered optical fibre sensors for bite-controlled device operation. Nat Electron (2022).
https://doi.org/10.1038/s41928-022-00841-8
