背景介紹

具有全向傳感能力的柔性和可拉伸物理傳感器在應(yīng)對(duì)醫(yī)療監(jiān)測(cè)、人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和人機(jī)界面中復(fù)雜、可變和動(dòng)態(tài)的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景方面具有重要意義。為了量化振動(dòng)和變形刺激，可拉伸應(yīng)變傳感器在可穿戴電子產(chǎn)品和電子皮膚領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，具有高靈活性、簡(jiǎn)單性和一致性的優(yōu)點(diǎn)。在可拉伸應(yīng)變傳感器的開發(fā)方面取得了顯著成就，重點(diǎn)是通過(guò)利用新型納米材料和微/納米結(jié)構(gòu)來(lái)提高其靈敏度、可拉伸性、耐用性、滯后性和檢測(cè)限。值得注意的是，需要在小應(yīng)變范圍內(nèi)具有出色的靈敏度，使傳感器能夠檢測(cè)到脈搏波和喉嚨振動(dòng)等微小的生物物理信號(hào)。然而，由于其固有特性，如長(zhǎng)徑比大的結(jié)構(gòu)和單向分布的傳感材料，大多數(shù)性能優(yōu)異的可拉伸應(yīng)變傳感器都受到僅將單軸應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能力的限制，阻礙了它們?cè)诙噍S應(yīng)變環(huán)境中的應(yīng)用。因此，迫切需要開發(fā)更復(fù)雜的應(yīng)變傳感器系統(tǒng)，能夠有效地感知包含來(lái)自各個(gè)方向的應(yīng)變的復(fù)雜信息。

最近，為了檢測(cè)更復(fù)雜的多軸應(yīng)變條件，主要通過(guò)兩種策略開發(fā)了全向應(yīng)變傳感技術(shù)：?jiǎn)蝹鞲衅骱投鄠鞲衅飨到y(tǒng)。在單傳感器方案中，某些各向同性全向柔性應(yīng)變傳感器是使用圍繞圓形排列的彎曲微槽設(shè)計(jì)的，并將手性伸縮超材料結(jié)合到基板中。雖然這些傳感器可以高靈敏度地檢測(cè)來(lái)自多個(gè)方向的應(yīng)變，但它們無(wú)法用單個(gè)傳感器確定應(yīng)變的具體方向，因此需要額外的傳感器陣列。之前實(shí)現(xiàn)定向應(yīng)變傳感的嘗試基于多傳感器系統(tǒng)方法，通常涉及以特定角度定位的兩個(gè)或三個(gè)各向異性應(yīng)變傳感器，以及基于每個(gè)傳感器之間的信號(hào)差計(jì)算應(yīng)變強(qiáng)度和方向的定制算法，這與本工作中提出的單傳感器方法有著根本的不同。此外，由于缺乏各向同性特性，當(dāng)涉及到處理多向應(yīng)變（即在不同方向施加相同的應(yīng)變）時(shí)，多傳感器系統(tǒng)方法更加復(fù)雜。從技術(shù)上講，在單個(gè)傳感器內(nèi)實(shí)現(xiàn)各向同性全向應(yīng)變傳感和方向識(shí)別是極具挑戰(zhàn)性的，因?yàn)榛驹韽母旧现v是相反的。各向同性傳感需要一個(gè)均勻的平臺(tái)來(lái)輸出相同的響應(yīng)，而方向識(shí)別則依賴于信號(hào)的差異。因此，考慮到傳感器的預(yù)期簡(jiǎn)單性和效率，對(duì)于各種實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，迫切需要一種將這兩個(gè)特征結(jié)合起來(lái)的可行策略。

本文亮點(diǎn)

1. 本工作介紹了第一個(gè)同時(shí)具有各向同性全向超敏應(yīng)變傳感和方向識(shí)別（IOHSDR）功能的設(shè)備。通過(guò)從三維模擬人類手指，IOHSDR設(shè)備實(shí)現(xiàn)了一種新型的異質(zhì)基底，該基底結(jié)合了圓的漸開線，從而在徑向方向上產(chǎn)生各向同性行為，在漸開線方向上具有各向異性特性，用于超靈敏應(yīng)變傳感。

2. 在基于深度學(xué)習(xí)的模型的幫助下，IOHSDR設(shè)備在識(shí)別360°拉伸方向方面實(shí)現(xiàn)了99.58%的驚人準(zhǔn)確率。

3. 它在可拉伸應(yīng)變傳感器的典型性能方面表現(xiàn)出卓越的性能，規(guī)格系數(shù)為634.12，檢測(cè)限為0.01%的超低，耐用性超過(guò)15000次循環(huán)。

4. 橈動(dòng)脈脈搏和喉部振動(dòng)應(yīng)用的演示突出了IOHSDR各向同性全向傳感和精確方向檢測(cè)的獨(dú)特特性，從而推出了新型可穿戴健康監(jiān)測(cè)設(shè)備。

圖文解析

圖1. IOHSDR（各向同性全向超敏傳感和方向識(shí)別）應(yīng)變傳感器系統(tǒng)的示意圖。a） 多維仿生IOHSDR應(yīng)變傳感器設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)示意圖，從三個(gè)方面模仿人類手指：（i）指紋結(jié)構(gòu)激發(fā)（ii）提供超敏反應(yīng)的異質(zhì)基質(zhì)；（iii）指紋螺紋圖案激發(fā)（iv）圓的漸開線作為基板的脊，提供各向同性全向應(yīng)變傳感；（v） 柔軟的人體皮膚激發(fā)（vi）皮膚般的底層，以更好地進(jìn)行應(yīng)變傳導(dǎo)；（vii）IOHSDR應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)，其由功能層和具有模量梯度的三層基板組成。b） IOHSDR應(yīng)變傳感器功能示意圖：（i）具有可拉伸銀電極A-E的單個(gè)IOHSDR應(yīng)力傳感器；（ii iv）從電極對(duì)AE檢測(cè)到的全向（360°）應(yīng)變和喉部振動(dòng)；（v-vi）使用來(lái)自電極對(duì)BC、CD和DE的三通道信號(hào)通過(guò)基于深度學(xué)習(xí)的模型進(jìn)行應(yīng)變方向識(shí)別。

圖2. 設(shè)備的特性描述。a） 石墨烯功能層沿拉伸方向的微裂紋的顯微鏡（上圖）和SEM（下圖）圖像，比例尺分別為200和250 μm。b） 拉伸-釋放循環(huán)期間相對(duì)阻力變化的滯后。c） 0.25%、1.0%、2.0%和3.0%循環(huán)應(yīng)變下的相對(duì)阻力變化。d） 0.05%和0.01%循環(huán)應(yīng)變下的檢測(cè)限穩(wěn)定性試驗(yàn)。e） 在0.5%應(yīng)變下，通過(guò)多循環(huán)拉伸和釋放超過(guò)15000次循環(huán)進(jìn)行耐久性測(cè)試。f） 應(yīng)變傳感器IOHSDR、C1、C2和C3之間相對(duì)電阻變化的比較。g） C1的結(jié)構(gòu)和截面圖，帶有未調(diào)制的基板；C2具有由楊氏模量調(diào)制的基底；基板由橫截面積調(diào)制。h） 應(yīng)變傳感器IOHSDR、C1、C2和C3之間的應(yīng)變系數(shù)比較。

圖3. IOHSDR應(yīng)變傳感器的各向同性全向超敏應(yīng)變傳感。a） 各向同性全向應(yīng)變傳感機(jī)制：（i）IOHSDR應(yīng)變傳感器的俯視物理照片；（ii）各向同性全向應(yīng)變傳感的數(shù)學(xué)分析：無(wú)論拉伸方向如何，總有一個(gè)垂直于它的漸開線在基板中引起最大應(yīng)變響應(yīng)；（iii）增強(qiáng)應(yīng)變傳感的數(shù)學(xué)分析：由于每個(gè)漸開線環(huán)的平行切線，拉伸導(dǎo)致所有環(huán)出現(xiàn)最大應(yīng)變；（iv）IOHSDR應(yīng)變傳感器0°拉伸的有限元分析結(jié)果。b） IOHSDR傳感器全向（360°）應(yīng)變傳感結(jié)果；以15°的間隔以12個(gè)角度施加相等大小的應(yīng)變，覆蓋整個(gè)360°范圍。c） 信號(hào)強(qiáng)度在12個(gè)拉伸方向上的相對(duì)電阻變化曲線。

圖4. 基于IOHSDR應(yīng)變傳感器的脈搏波監(jiān)測(cè)和喉部振動(dòng)檢測(cè)演示。a） IOHSDR應(yīng)變傳感器采集的橈動(dòng)脈脈搏波形，顯示包括前進(jìn)波（P）、反射切跡（W）、反射波（T）、重博切跡（V）和重博波（D）在內(nèi)的詳細(xì)信息。b） 手腕上的IOHSDR傳感器以0°至180°的角度以45°的間隔獲得四個(gè)脈沖波形。c、 d）單詞對(duì)的喉嚨振動(dòng)信號(hào)：“綿羊”和“船”，“沙漠”和“甜點(diǎn)”。e–h）通過(guò)以45°的間隔將傳感器在喉嚨皮膚上的附著角度從0°改變到180°，獲得了“Do”（單音節(jié)動(dòng)詞）、“Time”（單音節(jié)名詞）、“Cambridge”（雙音節(jié)）和“University”（五音節(jié)）的喉嚨振動(dòng)信號(hào)。

圖5. 深度學(xué)習(xí)輔助方向識(shí)別。a） 方向識(shí)別機(jī)制：（i）360°應(yīng)變方向識(shí)別的三個(gè)通道；（ii）分析在各向同性和各向異性狀態(tài)之間動(dòng)態(tài)切換的通道；（iii）在75°和165°拉伸下三個(gè)通道的有限元分析結(jié)果。b） 通道1、通道2和通道3在以15°間隔從0°拉伸到180°期間的相對(duì)阻力變化和幅度趨勢(shì)曲線。c） 基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）的IOHSDR應(yīng)變傳感器識(shí)別拉伸方向模型的結(jié)構(gòu)。d） 用于以15°間隔對(duì)0°至180°的12個(gè)拉伸方向進(jìn)行分類的混淆矩陣。

來(lái)源：柔性傳感及器件