罗雪梅、张广平等：柔性应变传感器的手势识别应用研究取得新进展

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基于手势识别技术的可穿戴柔性电子设备在医疗健康、机器人技术、人机交互以及人工智能等领域有着广泛的应用前景。研制性能优异的柔性应变传感器是实现高性能可穿戴设备应用的重要基础。感器的灵敏度决定了可穿戴设备的感知精度，而在过载、瞬时冲击、多次循环弯曲/扭折等条件下的机械鲁棒性将影响可穿戴设备实际应用环境条件下的长期可靠服役。截至目前，采用简单方法制备兼具高灵敏度和机械鲁棒性的柔性应变传感材料仍极具挑战性。如何将基础研究所获得的高性能柔性应变传感器推广应用到人机交互系统等实际应用场景中，将会为此类器件的研发提供一个全新的思路。
　　近期，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心薄膜与微尺度材料及力学性能研究团队，在前期柔性基体金属薄膜力学行为的基础研究工作基础上(Acta Mater. (2006)、Nat. Commun. (2014)、Adv. Mater. Tech.(2022))，基于柔性器件传感的力学原理，提出将裂纹类传感器的传感机制引入高机械鲁棒性蛇形曲流结构中，通过对传感层进行巧妙的高/低电阻区调控实现高灵敏度传感的学术思想，研制了一种灵敏度与裂纹类传感器相当（GF > 1000）且机械鲁棒性优异的柔性应变传感器。该传感器在过载、冲击、水下浸泡、高/低温等严苛环境条件的作用下表现出优异的循环稳定性，稳定响应周次达10000周。同时，该传感器还具有响应和回复时间快(< 58 ms)、滞后性低等优势。

　　图1：柔性应变传感器的设计和制备. a 蛇形曲流结构的传感机制，b传感单元在表面切应力作用下的位移云图，c传感单元在不同表面切应力作用下相邻曲流条纹的间隙沿传感器宽度方向分布曲线，d 相邻曲流条纹的接触区域长度随应变的变化曲线，e 传感器制备流程示意图。

　　该研究团队将传感器进一步集成到自主设计的无线可穿戴人机交互系统中，结合机器学习、用户界面设计等技术实现了实时手语翻译功能。传感器的高灵敏度和响应速度赋予了该系统及时准确的感知能力，高机械鲁棒性则赋予该系统在实际应用场景中长期可靠服役的能力。该系统利用机器学习分类算法实现了对15种单一手势手语的识别和6种组合手势手语的识别，其识别准确率分别高达98.2%和98.9%。系统整体的响应时间小于1s。成本低廉、质轻便携且操作简便的系统既可将手语实时翻译成语音播放，又可通过定制的用户界面实现信号曲线和翻译结果的可视化。后期可通过优化电路设计、扩展机器学习的手势或手语数据库，将该手势识别技术进一步应用于人机交互、虚拟现实、手势认证、智能传感、医疗健康等各种关键场景中。该研究工作为实现柔性条件下的稳定增敏机制提供了新思路，有望促进可穿戴人机交互系统的应用和产业化发展。此外，该研究团队基于微小尺度材料和纳米金属层状复合材料力学行为基础研究工作的长期积累(Appl. Phy. Lett.(2006, 2007)、Phy. Rev. Lett. (2013)、Acta Mater.(2008, 2020))，还研制出一种微机电系统（MEMS）用超长服役寿命的纳米复合材料，有望应用于航天、通讯、导航、国防和新能源等领域的射频MEMS上。
　　上述柔性应变传感手语识别系统的研究结果以题为“Ultra-Robust and Sensitive Flexible Strain Sensor for Real-Time and Wearable Sign Language Translation”近期在Advanced Functional Materials上在线发表；论文的第一作者为吴绪苹博士研究生，通讯作者为罗雪梅项目研究员和张广平研究员，东北大学材料科学与工程学院张滨教授团队参与了本论文的研究工作。
　　该项工作得到了国家自然科学基金、金属研究所“引进优秀学者”项目、沈阳材料科学国家研究中心青年人才和基础前沿及共性关键技术创新项目的资助。
　　全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202303504


        文章来源：金属所
        张广平，中国科学院金属研究所、沈阳材料科学国家（联合）实验室材料疲劳与断裂研究部，研究员；“薄膜与微尺度材料及力学性能”创新课题组组长。辽宁省“百千万人才计划”百人层次入选者，中国材料研究学会疲劳分会理事，国际微电系统热/机械/多物理模拟与实验（EuroSimE）技术委员会委员。主要从事微/纳米尺度材料力学行为及其尺寸与界面效应、高性能层状金属材料强韧化、先进工程材料疲劳与断裂可靠性及微观机理等方面的基础研究。作为项目负责人或主要参加者，承担了包括国家自然科学基金面上项目、中科院国际合作重点项目、科技部“973”计划、自然科学基金重大项目以及沈阳市科技计划等在内的多项科研项目。同时，还承担了若干关键工程领域中金属结构材料长期服役可靠性评价的应用研究课题，主要包括高铁（标准动车电机转轴）、核电（核主泵若干关键部件）、国家电网（新型节能导线及配套金具）、先进制造（增材制造关键构件）以及军工（军工车辆关键部件）等领域中工程材料的力学性能与服役可靠性评价项目。目前，已与德国Karlsruhe Institute Technology和IImenau University of Technology、澳大利亚Queensland University of Technology、日本Kumamoto University和Tokyo Institute Technology等国外院校开展了实质性合作研究，先后承担了2007年度国家基金委中-澳科技合作项目、2010年度国家留学基金委中-德合作(PPP)项目、2014年度中科院-亥姆霍兹联合会伙伴团队项目、2015年度澳大利亚ARC Discovery Project等。