基于手勢識別技術(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，基于手勢識別技術(shù)的可穿戴柔性電子設(shè)備在醫(yī)療健康、機器人技術(shù)、人機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械魯棒性則影響著設(shè)備在實際應(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)用到人機交互系統(tǒng)等實際場景中，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)性能研究團隊開展了一項重要研究?；谥皩θ嵝曰w金屬薄膜力學(xué)行為的深入研究基礎(chǔ)上，該團隊提出了一種靈敏度與裂紋類傳感器相當(dāng)且機械魯棒性優(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制引入高機械魯棒性的蛇形曲流結(jié)構(gòu)中，并通過對傳感層進行巧妙的高/低電阻區(qū)調(diào)控，實現(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)時間的優(yōu)勢。

為了將柔性應(yīng)變傳感器應(yīng)用于實際場景中，研究團隊進一步將傳感器集成到他們設(shè)計的無線可穿戴人機交互系統(tǒng)中，并結(jié)合機器學(xué)習(xí)和用戶界面設(shè)計等技術(shù)實現(xiàn)了實時手語翻譯功能。該系統(tǒng)利用傳感器的高靈敏度和響應(yīng)速度，能夠及時準(zhǔn)確地感知手勢，而其機械魯棒性則使系統(tǒng)能夠長期可靠地在實際應(yīng)用場景中使用。通過機器學(xué)習(xí)分類算法，該系統(tǒng)能夠識別多達15種單一手勢手語和6種組合手勢手語，其識別準(zhǔn)確率高達98.2%和98.9%。整體系統(tǒng)的響應(yīng)時間小于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，可以實時將手語翻譯成語音播放，并通過用戶界面可視化展示信號曲線和翻譯結(jié)果。未來，通過優(yōu)化電路設(shè)計和擴展機器學(xué)習(xí)手勢或手語數(shù)據(jù)庫，這項手勢識別技術(shù)可進一步應(yīng)用于人機交互、虛擬現(xiàn)實、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)定增敏機制的實現(xiàn)提供了新的思路，有望推動可穿戴人機交互系統(tǒng)的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。同時，該團隊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)院的張濱教授團隊也參與了該論文的研究工作。

這項研究得到了國家自然科學(xué)基金、金屬研究所“引進優(yōu)秀學(xué)者”項目、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)新項目的資助。