基于手勢識(shí)別技術(shù)的柔性應(yīng)變傳感器及其在可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用

近年來，基于手勢識(shí)別技術(shù)的可穿戴柔性電子設(shè)備在醫(yī)療健康、機(jī)器人技術(shù)、人機(jī)交互和人工智能等領(lǐng)域呈現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。其中，研制高性能的柔性應(yīng)變傳感器是實(shí)現(xiàn)這些可穿戴設(shè)備應(yīng)用的關(guān)鍵基礎(chǔ)之一。柔性應(yīng)變傳感器的靈敏度決定了設(shè)備的感知精度，而在各種條件下的機(jī)械魯棒性則影響著設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的可靠性。然而，迄今為止，制備具備高靈敏度和機(jī)械魯棒性的柔性應(yīng)變傳感器仍然具有挑戰(zhàn)性。因此，將基礎(chǔ)研究中獲得的高性能柔性應(yīng)變傳感器推廣應(yīng)用到人機(jī)交互系統(tǒng)等實(shí)際場景中，為該領(lǐng)域的研發(fā)提供了全新的思路。

在這方面，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心的薄膜與微尺度材料及力學(xué)性能研究團(tuán)隊(duì)開展了一項(xiàng)重要研究。基于之前對(duì)柔性基體金屬薄膜力學(xué)行為的深入研究基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)提出了一種靈敏度與裂紋類傳感器相當(dāng)且機(jī)械魯棒性優(yōu)異的柔性應(yīng)變傳感器。他們通過將裂紋類傳感器的傳感機(jī)制引入高機(jī)械魯棒性的蛇形曲流結(jié)構(gòu)中，并通過對(duì)傳感層進(jìn)行巧妙的高/低電阻區(qū)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了高靈敏度傳感的目標(biāo)。該傳感器不僅在過載、沖擊、水下浸泡、高/低溫等嚴(yán)苛環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，而且具有快速響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間的優(yōu)勢。

為了將柔性應(yīng)變傳感器應(yīng)用于實(shí)際場景中，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將傳感器集成到他們設(shè)計(jì)的無線可穿戴人機(jī)交互系統(tǒng)中，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和用戶界面設(shè)計(jì)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)手語翻譯功能。該系統(tǒng)利用傳感器的高靈敏度和響應(yīng)速度，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地感知手勢，而其機(jī)械魯棒性則使系統(tǒng)能夠長期可靠地在實(shí)際應(yīng)用場景中使用。通過機(jī)器學(xué)習(xí)分類算法，該系統(tǒng)能夠識(shí)別多達(dá)15種單一手勢手語和6種組合手勢手語，其識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)98.2%和98.9%。整體系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間小于1秒。該系統(tǒng)具有成本低廉、輕便易攜帶和操作簡便的特點(diǎn)，可以實(shí)時(shí)將手語翻譯成語音播放，并通過用戶界面可視化展示信號(hào)曲線和翻譯結(jié)果。未來，通過優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和擴(kuò)展機(jī)器學(xué)習(xí)手勢或手語數(shù)據(jù)庫，這項(xiàng)手勢識(shí)別技術(shù)可進(jìn)一步應(yīng)用于人機(jī)交互、虛擬現(xiàn)實(shí)、手勢認(rèn)證、智能傳感、醫(yī)療健康等關(guān)鍵領(lǐng)域。

該研究工作為柔性條件下穩(wěn)定增敏機(jī)制的實(shí)現(xiàn)提供了新的思路，有望推動(dòng)可穿戴人機(jī)交互系統(tǒng)的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)還在微小尺度材料和納米金屬層狀復(fù)合材料力學(xué)行為方面進(jìn)行了深入研究，提出了一種超長服役壽命的納米復(fù)合材料，有望在航天、通訊、導(dǎo)航、國防和新能源等領(lǐng)域的射頻微機(jī)電系統(tǒng)中應(yīng)用。

以上研究成果題為“Ultra-Robust and Sensitive Flexible Strain Sensor for Real-Time and Wearable Sign Language Translation”已在Advanced Functional Materials雜志上在線發(fā)表。該研究工作的第一作者是吳緒蘋博士研究生，通訊作者為羅雪梅項(xiàng)目研究員和張廣平研究員，東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的張濱教授團(tuán)隊(duì)也參與了該論文的研究工作。

這項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金、金屬研究所“引進(jìn)優(yōu)秀學(xué)者”項(xiàng)目、沈陽材料科學(xué)國家研究中心青年人才和基礎(chǔ)前沿及共性關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目的資助。