做牙齿矫正的同学是否想过，我们还可以利用我们的牙套来进行信息输出，包括打字，控制仪器，甚至弹钢琴！
我们知道，键盘和触摸屏广泛用于控制电子设备，但对于有灵巧缺陷或神经系统疾病的个人来说，这些设备可能很难操作。人们开发了各种技术，包括语音识别、眨眼跟踪、头部运动跟踪、舌头驱动的交互和大脑-计算机接口，以帮助人们控制电子设备。然而，许多辅助技术在设备使用和维护方面存在问题。例如，语音识别需要大的操作内存、最新的硬件和低噪音的操作环境；眼睛跟踪需要在用户面前安装一个摄像头，校准过程繁琐且容易疲劳；并且头部运动跟踪排除了患有神经疾病的用户。近年来，脑-计算机接口有了很大改进，但该技术需要笨重的有线仪器和高度的侵入性。
在牙科研究中，咬合力常被用作评估咀嚼功能的参数。牙齿咬合可提供高精度控制，且只需很少的技能。因此，一个包含集成压力传感器的牙套来检测咬合模式并将其转换为输入可能是现有辅助技术的一个有希望的替代方案。这需要灵活、生物相容、低功耗且允许分布式传感的压力传感器。可拉伸光学压力传感器，特别是分布式光纤(DOF)压力传感器，由于其高生物相容性、无电磁干扰以及能够监测沿光纤传输路径的空间分布和随时间变化的压力，对测量咬合模式具有吸引力。然而，现有的光纤压力传感器需要外部光源，从而增加了系统尺寸和功耗。
成果简介
鉴于此，新加坡国立大学刘小钢和清华大学周斌等人报告了一种咬合控制光电系统，该系统使用集成在牙套中的机械发光驱动的分布式光纤（mp-DOF）传感器。该传感器由一系列弹性波导组成，其中嵌入了含有不同颜色的压力响应磷光体的机械发光接触垫。这些传感器集成到牙套中，以创建咬合控制的交互式电信系统。
交互式牙套的设计
研究人员设计了一种光纤，在几个预定位置嵌入了各种掺杂过渡金属的硫化锌(ZnS)磷光体。向ZnS基质中分别掺杂Cu2+/Mn2+ (595 nm)、Cu2+(525 nm)和Cu+ (475 nm)可以调节橙色、绿色和蓝色机械发光发射。之所以选择ZnS磷光体，是因为它们具有强烈的机械发光，不需要预辐照，并且可以回收。
除了原色之外，还可以通过改变三种磷光体的组成来产生第二种颜色。当向光纤外部施加分布式压缩时，机械响应磷光体发射不同波长的光，该光通过全内反射沿光纤传播。研究人员利用这种设计原理来制造一种交互式牙套，它包括一个集成的mp-DOF阵列、一个柔性印刷电路板和一个柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯基底。
图|基于mp-DOF传感器的交互式牙套设计
可检测多种咬合模式
开发的交互式牙套可以检测各种咬合模式。此外，为了设计咬合模式并使其尽可能可行，研究人员在改进过程中使用了典型成人牙齿的轮廓。需要注意的是，如果同时咬两个以上的护垫，会产生更多的图案。不同的咬合轨迹通过特定的配色方案产生机械发光，颜色传感器记录CIE三刺激值。开发了经过训练的两层前馈人工神经网络(ANN)，以根据三刺激值(X1，Y1，Z1，X2，Y2和Z2)区分21种复杂的咬合模式。因此，在不需要外部光源的情况下，通过测量光纤系统中不同颜色发射的强度比，利用mp-DOF可以映射咬合期间弹性护口器在特定节段的压缩和变形。
图|mp-DOF集成交互式护齿套的评估
用于辅助技术的交互式牙套
通过将交互式牙套与蓝牙模块配对，可以将实时咬合模式分类并发送到外部设备以执行适当的操作，或发送到自定义移动应用程序以显示和收集数据。例如，用户可以通过咬具有特定咬合轨迹的牙套来连接手机应用程序以拨打紧急电话。该交互式牙套还可以用作遥控手柄，例如遥控轮椅。通过添加蓝牙模块，用户可以控制轮椅转弯、速度和刹车，以及在标准的400米跑道上导航。验证测试显示，交互式牙套的响应时间小于0.12 s。
此外，研究人员演示了如何使用该系统控制定制的虚拟键盘来播放“生日快乐”的曲调，准确率达98.2%。值得注意的是，牙套易于使用；经过70次训练，可以达到较高的护齿熟练程度。
图|辅助技术演示
小结：
综上所述，本文报道了一种用于电脑、智能手机和轮椅咬合控制操作的交互式牙套。牙套使用含有机械刺激响应的磷光体接触垫，在压缩时会发出不同颜色的光，并使用mp-DOF传感器检测佩戴者不同咬合模式产生的光信号。当与机器学习相结合时，DOF传感器能够准确识别电子设备操作的复杂咬合模式，而发光强度可以作为另一个可控参数轻松与色度解耦。牙套很轻（重量小于7 g），结构紧凑，使用生物相容性材料，提供高力灵敏度和精确控制，只需很少的训练经验。然而，应注意的是，尽管牙套中与人体皮肤接触的部分（如PDMS和聚氨酯弹性体）被认为具有生物相容性，但在使用前仍必须测试其是否符合相关医疗器械标准。
参考文献：
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
