中山大学：基于定制裂纹设计的超灵敏透气水凝胶纤维应变传感器及无线手语识别应用

聋哑人作为一个独特的群体，由于固有的自身的听、说能力的限制，他们在日常生活中与健全人群的有效沟通和互动面临着诸多障碍。手语是一种基于人类手势和肢体语言的交流方式，在聋哑人群体中被广泛使用，但其抽象性和地域多样性可能会给不懂手语的人造成交流障碍。目前，各种识别人类手势的技术，包括视觉图像处理、肌电图和可穿戴应变传感器，在改善聋哑人群体的沟通方面发挥了重要作用。特别地，视觉图像处理在手语识别中的准确性会受到环境背景和光照强度的制约，而肌电图则受到电磁噪声和严格定位要求的影响。

幸运的是，与刚性传感器相比，可拉伸可穿戴应变传感器可以保形粘附或固定在人体的各个关键位置，便于将人体内各种物理和机械应变信息转换为不同的电信号（电阻、电容、电压等）进行进一步的处理和分析，从而为聋哑人提供更方便有效的交流工具。水凝胶具有类似软组织的含水结构，具有柔软度可调、固有拉伸性、机电响应性和生物相容性等优点。因此，它们被广泛用作应变敏感层，用于实时监测身体运动，为准确的手语识别提供了必要的数据样本。为了高质量地获取手语信息，要求应变传感器具有高灵敏度和宽工作范围，以实现对细微与大范围手势的同时检测。然而，大多数基于水凝胶的应变传感器的传感机制依赖于几何形变效应，即水凝胶在拉伸过程中同时发生伸长和横截面积减小，从而使电阻变化。然后，仅仅依赖几何形变效应产生的电阻变化很有限。因此，传统块体水凝胶存在较低的应变灵敏度（一般GF小于10）和不足的检测限的问题。此外，水凝胶固有的有限弹性导致应变传感的响应/恢复时间较长。因此，通过简便且成本效益高的制造技术设计具有高性能（例如高灵敏度、宽检测范围、快速响应/恢复速度、良好稳定性）的可拉伸应变传感器，以便准确捕捉复杂精细的手语手势，仍然是一个巨大的挑战。更重要的是，可穿戴设备的透气性问题常被忽视，导致在长时间佩戴过程中皮肤湿气积聚，造成不适。

为了满足各种人体动作识别的高质量信号采集和设备与人体皮肤界面长期佩戴舒适性的需求，本文开发了一种超灵敏、透气与可穿戴的应变传感器。该传感器由两端连接的环形聚丙烯酰胺（PAM）/海藻酸钙（Ca-Alg）双网络水凝胶纤维、两个电极、用于基底和封装层的Ecoflex膜以及通过纤维和Ecoflex切割引入的定制垂直局部裂纹结构组成。值得注意的是，多孔弹性体封装膜（PEEM）和非多孔弹性体封装膜（NEEM）可以分别赋予设备优异的透气性和防水性能，可以根据不同的应用需求进行相应的选择，从而改善用户体验和信号采集。 本论文提出了基于闭环局部裂纹（CLC）应变的传感机理：即外部应变加载下预切裂纹闭合/打开引发的导电路径的急剧切换（从低电阻的并联到高电阻的串联）和水凝胶纤维的几何形变效应共同作用下导致电阻急剧变化。这种新型传感机制使传感器具有超高灵敏度（最大GF = 3930）、宽检测范围（从0.02%到80%的应变）、较短的响应/恢复时间（78/52 ms）和良好的重复性（5000次循环），灵敏度远高于传统的无微结构的水凝胶基柔性应变传感器。更重要的是，裂纹在正常工作范围内几乎不扩展，具有良好的机械稳定性。因此，CLC应变传感器可以准确地检测人体从微小脉搏到大关节弯曲的各种运动与生理信息。进一步地，结合多通道传感器模块、无线电路和人工智能（AI）算法，构建了一种手语识别系统，实现了不同手语信息的无线传输和准确识别，准确率高达98.1%，提高了手语交流的效率。本研究展示了采用裂纹水凝胶纤维与AI集成的设备结构设计策略，为制备舒适、高性能、智能可穿戴电子设备提供了简便而有效的解决方案。

图1 水凝胶基CLC应变传感器的结构设计、制备流程与应用

图2CLC应变传感器的工作机理及传感性能表征

图3CLC应变传感器的传感性能调控

图4 透气CLC应变传感器的传感性能表征

图5 CLC传感器对各种重复的人体运动和生理信号的动态电阻变化

图6应变传感器在无线手语识别中的应用

论文信息：

Dijie Yao, Weiyan Wang, Hao Wang, Yibing Luo, Haojun Ding, Yiqun Gu, Hongjing Wu, Kai Tao*, Bo-Ru Yang, Shaowu Pan, Jun Fu, Fengwei Huo*, and Jin Wu*, Ultrasensitive and Breathable Hydrogel Fiber-Based Strain Sensors Enabled by Customized Crack Design for Wireless Sign Language Recognition.Adv. Funct. Mater. 2024, 2416482.

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202416482

来源：高分子科技

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