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(xiàng)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(dòng)監(jiān)測(cè)是康復(fù)訓(xùn)練，軍事訓(xùn)練，姿態(tài)檢測(cè)，行為分析以及人機(jī)接口等應(yīng)用的基礎(chǔ)。
將可穿戴傳感器與硬件系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)可靠的關(guān)節(jié)彎曲角度識(shí)別，進(jìn)而可以嵌入到以上各種應(yīng)用場(chǎng)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(jì)算成本，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和識(shí)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(jí)別裂縫從而引起電阻增加。
但是，這些傳感器無法實(shí)現(xiàn)寬范圍的、高靈敏度的關(guān)節(jié)彎曲檢測(cè)，同時(shí)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(cè)試的性能不穩(wěn)定。
研究進(jìn)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(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)彎曲角度的檢測(cè)。
基于狹縫的角度傳感器可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度(0.45%deg-1)，小角度檢測(cè)（約15° ），快速響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間（115/72 ms）及寬檢測(cè)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(shí)，該傳感器可實(shí)現(xiàn)細(xì)微手勢(shì)的精確識(shí)別，為增強(qiáng)人機(jī)交互樂趣性，作者開發(fā)了一套具備視聽反饋的人機(jī)交互系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)細(xì)微手勢(shì)AEMNS的精確識(shí)別與相應(yīng)的視覺和聽覺反饋。
圖2 手勢(shì)識(shí)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(shí)現(xiàn)的手勢(shì)識(shí)別，該工作提出了一種應(yīng)用彎曲過程中的壓縮應(yīng)變實(shí)現(xiàn)手勢(shì)識(shí)別，為未來基于柔性可穿戴電子的手勢(shì)識(shí)別方式提供了一種新的選擇方案。
同時(shí)，具備視覺和聽覺反饋的手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)有望在柔性可穿戴電子，訓(xùn)練矯正，人機(jī)交互，遠(yuǎn)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?yàn)槿嵝钥纱┐麟娮樱娮悠つw及其在人機(jī)交互，遠(yuǎn)程醫(yī)療，非接觸式控制等方面的應(yīng)用探索
