中山大學(xué)：基于定制裂紋設(shè)計(jì)的超靈敏透氣水凝膠纖維應(yīng)變傳感器及無線手語識(shí)別應(yīng)用

聾啞人作為一個(gè)獨(dú)特的群體，由于固有的自身的聽、說能力的限制，他們?cè)谌粘Ｉ钪信c健全人群的有效溝通和互動(dòng)面臨著諸多障礙。手語是一種基于人類手勢(shì)和肢體語言的交流方式，在聾啞人群體中被廣泛使用，但其抽象性和地域多樣性可能會(huì)給不懂手語的人造成交流障礙。目前，各種識(shí)別人類手勢(shì)的技術(shù)，包括視覺圖像處理、肌電圖和可穿戴應(yīng)變傳感器，在改善聾啞人群體的溝通方面發(fā)揮了重要作用。特別地，視覺圖像處理在手語識(shí)別中的準(zhǔn)確性會(huì)受到環(huán)境背景和光照強(qiáng)度的制約，而肌電圖則受到電磁噪聲和嚴(yán)格定位要求的影響。

幸運(yùn)的是，與剛性傳感器相比，可拉伸可穿戴應(yīng)變傳感器可以保形粘附或固定在人體的各個(gè)關(guān)鍵位置，便于將人體內(nèi)各種物理和機(jī)械應(yīng)變信息轉(zhuǎn)換為不同的電信號(hào)（電阻、電容、電壓等）進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析，從而為聾啞人提供更方便有效的交流工具。水凝膠具有類似軟組織的含水結(jié)構(gòu)，具有柔軟度可調(diào)、固有拉伸性、機(jī)電響應(yīng)性和生物相容性等優(yōu)點(diǎn)。因此，它們被廣泛用作應(yīng)變敏感層，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)身體運(yùn)動(dòng)，為準(zhǔn)確的手語識(shí)別提供了必要的數(shù)據(jù)樣本。為了高質(zhì)量地獲取手語信息，要求應(yīng)變傳感器具有高靈敏度和寬工作范圍，以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)微與大范圍手勢(shì)的同時(shí)檢測(cè)。然而，大多數(shù)基于水凝膠的應(yīng)變傳感器的傳感機(jī)制依賴于幾何形變效應(yīng)，即水凝膠在拉伸過程中同時(shí)發(fā)生伸長(zhǎng)和橫截面積減小，從而使電阻變化。然后，僅僅依賴幾何形變效應(yīng)產(chǎn)生的電阻變化很有限。因此，傳統(tǒng)塊體水凝膠存在較低的應(yīng)變靈敏度（一般GF小于10）和不足的檢測(cè)限的問題。此外，水凝膠固有的有限彈性導(dǎo)致應(yīng)變傳感的響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。因此，通過簡(jiǎn)便且成本效益高的制造技術(shù)設(shè)計(jì)具有高性能（例如高靈敏度、寬檢測(cè)范圍、快速響應(yīng)/恢復(fù)速度、良好穩(wěn)定性）的可拉伸應(yīng)變傳感器，以便準(zhǔn)確捕捉復(fù)雜精細(xì)的手語手勢(shì)，仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。更重要的是，可穿戴設(shè)備的透氣性問題常被忽視，導(dǎo)致在長(zhǎng)時(shí)間佩戴過程中皮膚濕氣積聚，造成不適。

為了滿足各種人體動(dòng)作識(shí)別的高質(zhì)量信號(hào)采集和設(shè)備與人體皮膚界面長(zhǎng)期佩戴舒適性的需求，本文開發(fā)了一種超靈敏、透氣與可穿戴的應(yīng)變傳感器。該傳感器由兩端連接的環(huán)形聚丙烯酰胺（PAM）/海藻酸鈣（Ca-Alg）雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠纖維、兩個(gè)電極、用于基底和封裝層的Ecoflex膜以及通過纖維和Ecoflex切割引入的定制垂直局部裂紋結(jié)構(gòu)組成。值得注意的是，多孔彈性體封裝膜（PEEM）和非多孔彈性體封裝膜（NEEM）可以分別賦予設(shè)備優(yōu)異的透氣性和防水性能，可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行相應(yīng)的選擇，從而改善用戶體驗(yàn)和信號(hào)采集。 本論文提出了基于閉環(huán)局部裂紋（CLC）應(yīng)變的傳感機(jī)理：即外部應(yīng)變加載下預(yù)切裂紋閉合/打開引發(fā)的導(dǎo)電路徑的急劇切換（從低電阻的并聯(lián)到高電阻的串聯(lián)）和水凝膠纖維的幾何形變效應(yīng)共同作用下導(dǎo)致電阻急劇變化。這種新型傳感機(jī)制使傳感器具有超高靈敏度（最大GF = 3930）、寬檢測(cè)范圍（從0.02%到80%的應(yīng)變）、較短的響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間（78/52 ms）和良好的重復(fù)性（5000次循環(huán)），靈敏度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的無微結(jié)構(gòu)的水凝膠基柔性應(yīng)變傳感器。更重要的是，裂紋在正常工作范圍內(nèi)幾乎不擴(kuò)展，具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性。因此，CLC應(yīng)變傳感器可以準(zhǔn)確地檢測(cè)人體從微小脈搏到大關(guān)節(jié)彎曲的各種運(yùn)動(dòng)與生理信息。進(jìn)一步地，結(jié)合多通道傳感器模塊、無線電路和人工智能（AI）算法，構(gòu)建了一種手語識(shí)別系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了不同手語信息的無線傳輸和準(zhǔn)確識(shí)別，準(zhǔn)確率高達(dá)98.1%，提高了手語交流的效率。本研究展示了采用裂紋水凝膠纖維與AI集成的設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略，為制備舒適、高性能、智能可穿戴電子設(shè)備提供了簡(jiǎn)便而有效的解決方案。

圖1 水凝膠基CLC應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備流程與應(yīng)用

圖2CLC應(yīng)變傳感器的工作機(jī)理及傳感性能表征

圖3CLC應(yīng)變傳感器的傳感性能調(diào)控

圖4 透氣CLC應(yīng)變傳感器的傳感性能表征

圖5 CLC傳感器對(duì)各種重復(fù)的人體運(yùn)動(dòng)和生理信號(hào)的動(dòng)態(tài)電阻變化

圖6應(yīng)變傳感器在無線手語識(shí)別中的應(yīng)用

論文信息：

Dijie Yao, Weiyan Wang, Hao Wang, Yibing Luo, Haojun Ding, Yiqun Gu, Hongjing Wu, Kai Tao*, Bo-Ru Yang, Shaowu Pan, Jun Fu, Fengwei Huo*, and Jin Wu*, Ultrasensitive and Breathable Hydrogel Fiber-Based Strain Sensors Enabled by Customized Crack Design for Wireless Sign Language Recognition.Adv. Funct. Mater. 2024, 2416482.

原文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202416482

來源：高分子科技

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