基于手勢識別技術的可穿戴柔性電子設備在醫(yī)療健康、機器人技術、人機交互以及人工智能等領域有著廣泛的應用前景。研制性能優(yōu)異的柔性應變傳感器是實現(xiàn)高性能可穿戴設備應用的重要基礎。感器的靈敏度決定了可穿戴設備的感知精度，而在過載、瞬時沖擊、多次循環(huán)彎曲/扭折等條件下的機械魯棒性將影響可穿戴設備實際應用環(huán)境條件下的長期可靠服役。截至目前，采用簡單方法制備兼具高靈敏度和機械魯棒性的柔性應變傳感材料仍極具挑戰(zhàn)性。如何將基礎研究所獲得的高性能柔性應變傳感器推廣應用到人機交互系統(tǒng)等實際應用場景中，將會為此類器件的研發(fā)提供一個全新的思路。

圖1：柔性應變傳感器的設計和制備. a 蛇形曲流結構的傳感機制，b傳感單元在表面切應力作用下的位移云圖，c傳感單元在不同表面切應力作用下相鄰曲流條紋的間隙沿傳感器寬度方向分布曲線，d 相鄰曲流條紋的接觸區(qū)域長度隨應變的變化曲線，e 傳感器制備流程示意圖。

圖2：柔性應變傳感器的傳感性能. a.高/低電阻區(qū)調控前的響應曲線，b.高/低電阻區(qū)調控后的響應曲線，c.在不同峰值應變下的循環(huán)響應曲線，極限檢測應變，d.響應和回復時間。

(資料圖片)

近期，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心薄膜與微尺度材料及力學性能研究團隊，在前期柔性基體金屬薄膜力學行為的基礎研究工作基礎上(Acta Mater. (2006)、Nat. Commun. (2014)、Adv. Mater. Tech.(2022))，基于柔性器件傳感的力學原理，提出將裂紋類傳感器的傳感機制引入高機械魯棒性蛇形曲流結構中，通過對傳感層進行巧妙的高/低電阻區(qū)調控實現(xiàn)高靈敏度傳感的學術思想，研制了一種靈敏度與裂紋類傳感器相當（GF > 1000）且機械魯棒性優(yōu)異的柔性應變傳感器。該傳感器在過載、沖擊、水下浸泡、高/低溫等嚴苛環(huán)境條件的作用下表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，穩(wěn)定響應周次達10000周。同時，該傳感器還具有響應和回復時間快(< 58 ms)、滯后性低等優(yōu)勢。

圖3：柔性應變傳感器的機械魯棒性. a 循環(huán)穩(wěn)定性，b 最大可承受應變，c-e 對嚴苛環(huán)境的耐受力。

圖4：可穿戴手語翻譯系統(tǒng). a 應用場景示意圖，b 系統(tǒng)框架，c 手語手套，d 無線電路板，e 用戶界面。

該研究團隊將傳感器進一步集成到自主設計的無線可穿戴人機交互系統(tǒng)中，結合機器學習、用戶界面設計等技術實現(xiàn)了實時手語翻譯功能。傳感器的高靈敏度和響應速度賦予了該系統(tǒng)及時準確的感知能力，高機械魯棒性則賦予該系統(tǒng)在實際應用場景中長期可靠服役的能力。該系統(tǒng)利用機器學習分類算法實現(xiàn)了對15種單一手勢手語的識別和6種組合手勢手語的識別，其識別準確率分別高達98.2%和98.9%。系統(tǒng)整體的響應時間小于1s。成本低廉、質輕便攜且操作簡便的系統(tǒng)既可將手語實時翻譯成語音播放，又可通過定制的用戶界面實現(xiàn)信號曲線和翻譯結果的可視化。后期可通過優(yōu)化電路設計、擴展機器學習的手勢或手語數(shù)據(jù)庫，將該手勢識別技術進一步應用于人機交互、虛擬現(xiàn)實、手勢認證、智能傳感、醫(yī)療健康等各種關鍵場景中。該研究工作為實現(xiàn)柔性條件下的穩(wěn)定增敏機制提供了新思路，有望促進可穿戴人機交互系統(tǒng)的應用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。此外，該研究團隊基于微小尺度材料和納米金屬層狀復合材料力學行為基礎研究工作的長期積累(Appl. Phy. Lett.(2006, 2007)、Phy. Rev. Lett. (2013)、Acta Mater.(2008, 2020))，還研制出一種微機電系統(tǒng)（MEMS）用超長服役壽命的納米復合材料，有望應用于航天、通訊、導航、國防和新能源等領域的射頻MEMS上。

圖5：手語識別驗證. a 6種由復合手勢組成的手語，b 手語翻譯系統(tǒng)對6種手語的識別準確率，e 手語翻譯系統(tǒng)的各項性能匯總。

上述柔性應變傳感手語識別系統(tǒng)的研究結果以題為“Ultra-Robust and Sensitive Flexible Strain Sensor for Real-Time and Wearable Sign Language Translation”近期在Advanced Functional Materials上在線發(fā)表；論文的第一作者為吳緒蘋博士研究生，通訊作者為羅雪梅項目研究員和張廣平研究員，東北大學材料科學與工程學院張濱教授團隊參與了本論文的研究工作。

該項工作得到了國家自然科學基金、金屬研究所“引進優(yōu)秀學者”項目、沈陽材料科學國家研究中心青年人才和基礎前沿及共性關鍵技術創(chuàng)新項目的資助。

來源：金屬所

全文鏈接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202303504

關鍵詞：