東南大學(xué)研究人員受蝎子縫感受器啟發(fā)，利用激光刻蝕MXene修飾的多孔聚氨酯海綿，研究制備了一種狹縫柔性角度傳感器。
該項成果由東南大學(xué)吳俊老師課題組聯(lián)合陶立及孫立濤教授共同完成，以“Conductive porous MXene for bionic wearable and precise gesture motion sensors”為題發(fā)表于Research。
研究背景
寬域、高靈敏、可靠的關(guān)節(jié)移動監(jiān)測是康復(fù)訓(xùn)練，軍事訓(xùn)練，姿態(tài)檢測，行為分析以及人機接口等應(yīng)用的基礎(chǔ)。
將可穿戴傳感器與硬件系統(tǒng)進行結(jié)合，可實現(xiàn)可靠的關(guān)節(jié)彎曲角度識別，進而可以嵌入到以上各種應(yīng)用場景。
其中，具備高靈敏度、寬工作范圍的優(yōu)異性能角度傳感器可以有效的降低算法計算成本，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和識別率。
目前角度傳感器大多放在關(guān)節(jié)外側(cè)的突起表面處，利用拉伸誘導(dǎo)產(chǎn)生納微級別裂縫從而引起電阻增加。
但是，這些傳感器無法實現(xiàn)寬范圍的、高靈敏度的關(guān)節(jié)彎曲檢測，同時裂縫的產(chǎn)生與恢復(fù)具備不可控性，從而導(dǎo)致周期內(nèi)循環(huán)測試的性能不穩(wěn)定。
研究進展
東南大學(xué)吳俊老師課題組制備了一種仿生角度傳感器。
空氣層和Mxene修飾的聚氨酯海綿層構(gòu)成角度傳感器的交替排列的軟硬層結(jié)構(gòu)。
通過將傳感器放置在內(nèi)關(guān)節(jié)處，可以通過關(guān)節(jié)彎曲產(chǎn)生的壓縮形變誘導(dǎo)壓縮接觸和彎曲接觸效應(yīng)實現(xiàn)關(guān)節(jié)彎曲角度的檢測。
基于狹縫的角度傳感器可以實現(xiàn)高靈敏度(0.45%deg-1)，小角度檢測（約15° ），快速響應(yīng)和恢復(fù)時間（115/72 ms）及寬檢測閾值(15°~120°)。
圖1 仿生角度傳感器及其應(yīng)用展示（太極訓(xùn)練矯正）
同時，該傳感器可實現(xiàn)細微手勢的精確識別，為增強人機交互樂趣性，作者開發(fā)了一套具備視聽反饋的人機交互系統(tǒng)可以實現(xiàn)細微手勢AEMNS的精確識別與相應(yīng)的視覺和聽覺反饋。
圖2 手勢識別與視覺和聽覺反饋
未來展望
不同于先前工作中借助拉伸應(yīng)變傳感器實現(xiàn)的手勢識別，該工作提出了一種應(yīng)用彎曲過程中的壓縮應(yīng)變實現(xiàn)手勢識別，為未來基于柔性可穿戴電子的手勢識別方式提供了一種新的選擇方案。
同時，具備視覺和聽覺反饋的手勢識別系統(tǒng)有望在柔性可穿戴電子，訓(xùn)練矯正，人機交互，遠程控制等領(lǐng)域提供一種新的解決方案。
作者簡介
吳俊，博士，東南大學(xué)副教授、至善青年學(xué)者，電子科學(xué)與工程學(xué)院/微電子學(xué)院副院長。
研究方向為柔性可穿戴電子，電子皮膚及其在人機交互，遠程醫(yī)療，非接觸式控制等方面的應(yīng)用探索
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