吕梁学院：基于完全废弃烟盒的柔性摩擦电传感器，用于人体运动监测、姿态识别与人机交互

烟草产品废弃物的处理已成为一个紧迫的环境问题。摩擦纳米发电机（TENG）因其能够利用多种材料进行传感和能量收集，为废弃香烟包装的资源化利用带来了可能性。然而，已报道的基于废弃物的TENG存在废弃物利用率低、制造成本高等问题。为了应对这一挑战，

文章提出了一种完全基于废弃香烟包装盒的柔性摩擦电传感器。该传感器原材料仅为烟草包装的主要废弃物，制备工艺简单，兼具环保与经济优势。该传感器对力具有的变化具有良好的灵敏度和稳定性。在人体运动监测、坐姿模式识别、人机交互等应用方面，该传感器表现出色。它能有效感知关节运动和多种动作产生的足底压力变化；结合线性支持向量机实现了对4种常见的坐姿模式识别准确识别，准确率达99.5%；基于该传感器集成了可穿戴遥控系统，实现了救援小车的远程交互。本研究为废弃香烟包装的高值化利用提供了新的解决方案，在智慧体育、智能家居、灾害救援等多领域具有广阔应用前景。

图1 FT-Sensor的结构、制备工艺及其应用。a) FT-Sensor的材料、结构与制备工艺。b) FT-Sensor的原始状态、弯曲状态与扭转状态。c) FT-Sensor在人体运动监测、姿态识别与人机交互中的应用。

图2 a) FT-Sensor的工作原理；b)一个周期内三个典型位置的电势分布仿真。

图3材料表征。a)采用的废弃物材料。双向拉伸聚丙烯薄膜的b)疏水性和c)傅里叶变换红外光谱；铝箔衬纸的d)导电性和e)表面微观结构。

图4 FT-Sensor的输出特性。不同幅值力（1 Hz）下的a)输出电压；b)输出电流和c)峰值输出电压拟合曲线；不同频率力（20 N）下的d)输出电压和e)输出电流；f)多周期下的输出电压；g)不同间隔层厚度（20 N, 1 Hz）下的输出电压；不同h)湿度和i)温度条件（20 N, 1 Hz）下的输出电压。

图5 FT-Sensor在人体关节弯曲运动传感中的应用。a)肘关节不同弯曲角度下的输出电压；b)肘关节不同弯曲角度下的电压幅值拟合曲线；(a)膝关节不同弯曲角度下的输出电压；(b)膝关节不同弯曲角度下的电压幅值拟合曲线。

图6 FT-Sensor在人体运动状态感知中的应用。a) FT-Sensor的粘贴位置；FT-Sensor对人体b)行走、c)跑步、d)跳跃、e)踮脚和f)正步动作的电压响应。

图7 FT-Sensor在坐姿识别中的应用。a)基于FT-Sensor与支持向量机的姿势识别流程；b)四个FT-Sensor对四种坐姿（正确坐姿、瘫坐、向右歪坐、向左歪坐）的输出响应；坐姿识别结果的c)散点图、d)验证混淆矩阵和e)测试混淆矩阵。

图8 FT-Sensor在人机交互中的应用。a)基于FT-Sensor的可穿戴遥控系统及其组成元件；b)电路图；c)可穿戴遥控系统控制车辆运动的流程。

图

9 FT-Sensor在机械手触觉中的应用。a) FT-Sensor在机械手的粘贴位置，以及被抓取的五个物品；b)五个手指抓取不同物品时的输出电压；抓取不同物品时的电压幅值c）柱状图和d）雷达图。

在这项工作中，FT-Sensor是一种完全基于废弃香烟包装的柔性摩擦电传感器。该传感器全部材料都来源于废弃香烟包装的三种主要组成部分，即纸壳、铝箔衬纸和BOPP薄膜。结合简单的制备工艺，有效解决了传统基于废弃物的摩擦电传感器对烟草产品废弃物利用率低、制造成本高的问题，具备良好的环保性与经济性。

该传感器的工作原理是单电极TENG，具有结构简单、接线方便、体积小、可对折弯曲等优势。经测试，其输出电压幅值与外部力的大小呈线性关系，灵敏度为0.104 V/N，且基本不受外力频率影响。它拥有循环加载下的稳定输出（超6000次循环），能够满足多个领域的人体生物力学监测需求。

在人体运动监测方面，FT-Sensor能感知关节运动和足底压力变化，不同动作的传感信号在波形、幅值、频率上展现出明显差异。在坐姿识别方面，利用4个FT-Sensor采集信号，经预处理、特征提取和SVM实现4种坐姿模式（正确坐姿、瘫坐、向右歪着坐、向左歪着坐）识别，验证准确率达99.3%，测试准确率达100%，总体识别准确率为99.5%，能准确识别正确坐姿与多种不良坐姿并及时提醒。

在人机交互方面，基于FT-Sensor的可穿戴遥控系统集成了信号采集、处理与无线传输功能，可灵活控制救援小车实现前进、倒退、左转、右转等多种运动，实现了救援小车的远程交互。同时，可作为机械手触觉传感器感知不同形状的物品。总之，本研究为废弃香烟包装的高价值转化提供了一条可持续且实用的路径，将环境可持续性与柔性电子技术发展紧密结合，在智慧体育、智能家居、灾害救援等领域展现出巨大的应用潜力。

来源：https://doi.org/10.1002/adsu.202500409