【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】基于手勢(shì)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)域頗具應(yīng)用前景。研制性能優(yōu)異的柔性應(yīng)變傳感器是實(shí)現(xiàn)高性能可穿戴設(shè)備應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。感器的靈敏度決定可穿戴設(shè)備的感知精度，而在過(guò)載、瞬時(shí)沖擊、多次循環(huán)彎曲/扭折等條件下的機(jī)械魯棒性將影響可穿戴設(shè)備實(shí)際應(yīng)用環(huán)境條件下的長(zhǎng)期可靠服役。截至目前，采用簡(jiǎn)單方法制備兼具高靈敏度和機(jī)械魯棒性的柔性應(yīng)變傳感材料頗具挑戰(zhàn)性。如何將基礎(chǔ)研究所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)際應(yīng)用場(chǎng)景中，將會(huì)為此類(lèi)器件的研發(fā)提供全新思路。
近期，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心薄膜與微尺度材料及力學(xué)性能研究團(tuán)隊(duì)，在前期柔性基體金屬薄膜力學(xué)行為研究的基礎(chǔ)上，基于柔性器件傳感的力學(xué)原理，提出將裂紋類(lèi)傳感器的傳感機(jī)制引入高機(jī)械魯棒性蛇形曲流結(jié)構(gòu)中，通過(guò)對(duì)傳感層進(jìn)行巧妙的高/低電阻區(qū)調(diào)控實(shí)現(xiàn)高靈敏度傳感的學(xué)術(shù)思想，研制出靈敏度與裂紋類(lèi)傳感器相當(dāng)(GF > 1000)且機(jī)械魯棒性?xún)?yōu)異的柔性應(yīng)變傳感器。該傳感器在過(guò)載、沖擊、水下浸泡、高/低溫等嚴(yán)苛環(huán)境條件的作用下表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，穩(wěn)定響應(yīng)周次達(dá)10000周。同時(shí)，該傳感器具有響應(yīng)和回復(fù)時(shí)間快(< 58 ms)、滯后性低等優(yōu)勢(shì)。
該團(tuán)隊(duì)將傳感器進(jìn)一步集成到自主設(shè)計(jì)的無(wú)線(xiàn)可穿戴人機(jī)交互系統(tǒng)中，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)、用戶(hù)界面設(shè)計(jì)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)手語(yǔ)翻譯功能。傳感器的高靈敏度和響應(yīng)速度賦予了該系統(tǒng)及時(shí)準(zhǔn)確的感知能力，同時(shí)高機(jī)械魯棒性則賦予該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中長(zhǎng)期可靠服役的能力。該系統(tǒng)利用機(jī)器學(xué)習(xí)分類(lèi)算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)15種單一手勢(shì)手語(yǔ)的識(shí)別和6種組合手勢(shì)手語(yǔ)的識(shí)別(識(shí)別準(zhǔn)確率分別達(dá)98.2%和98.9%)。系統(tǒng)整體的響應(yīng)時(shí)間小于1s。成本低廉、質(zhì)輕便攜且操作簡(jiǎn)便的系統(tǒng)既可將手語(yǔ)實(shí)時(shí)翻譯成語(yǔ)音播放，又可通過(guò)定制的用戶(hù)界面實(shí)現(xiàn)信號(hào)曲線(xiàn)和翻譯結(jié)果的可視化。后期可通過(guò)優(yōu)化電路設(shè)計(jì)、擴(kuò)展機(jī)器學(xué)習(xí)的手勢(shì)或手語(yǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，將該手勢(shì)識(shí)別技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用于人機(jī)交互、虛擬現(xiàn)實(shí)、手勢(shì)認(rèn)證、智能傳感、醫(yī)療健康等關(guān)鍵場(chǎng)景。該研究為實(shí)現(xiàn)柔性條件下的穩(wěn)定增敏機(jī)制提供了新思路，有望促進(jìn)可穿戴人機(jī)交互系統(tǒng)的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。此外，該團(tuán)隊(duì)基于微小尺度材料和納米金屬層狀復(fù)合材料力學(xué)行為基礎(chǔ)研究工作的長(zhǎng)期積累，研制出微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)用超長(zhǎng)服役壽命的納米復(fù)合材料，有望應(yīng)用于航天、通訊、導(dǎo)航和新能源等領(lǐng)域的射頻MEMS上。
上述柔性應(yīng)變傳感手語(yǔ)識(shí)別系統(tǒng)的研究成果，以Ultra-Robust and Sensitive Flexible Strain Sensor for Real-Time and Wearable Sign Language Translation為題，在線(xiàn)發(fā)表在Advanced Functional Materials上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、金屬所“引進(jìn)優(yōu)秀學(xué)者”項(xiàng)目、沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)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)目的支持。東北大學(xué)科研人員參與研究。
圖1.柔性應(yīng)變傳感器的設(shè)計(jì)和制備。a、蛇形曲流結(jié)構(gòu)的傳感機(jī)制；b、傳感單元在表面切應(yīng)力作用下的位移云圖；c、傳感單元在不同表面切應(yīng)力作用下相鄰曲流條紋的間隙沿傳感器寬度方向分布曲線(xiàn)；d、相鄰曲流條紋的接觸區(qū)域長(zhǎng)度隨應(yīng)變的變化曲線(xiàn)；e、傳感器制備流程示意圖。
圖2.柔性應(yīng)變傳感器的傳感性能。a、高/低電阻區(qū)調(diào)控前的響應(yīng)曲線(xiàn)；b、高/低電阻區(qū)調(diào)控后的響應(yīng)曲線(xiàn)；c、在不同峰值應(yīng)變下的循環(huán)響應(yīng)曲線(xiàn)，極限檢測(cè)應(yīng)變；d、響應(yīng)和回復(fù)時(shí)間。
圖3.柔性應(yīng)變傳感器的機(jī)械魯棒性。a、循環(huán)穩(wěn)定性；b、最大可承受應(yīng)變；c-e：對(duì)嚴(yán)苛環(huán)境的耐受力。
圖4.可穿戴手語(yǔ)翻譯系統(tǒng)。a、應(yīng)用場(chǎng)景示意圖；b、系統(tǒng)框架；c、手語(yǔ)手套；d、無(wú)線(xiàn)電路板；e、用戶(hù)界面。
圖5.手語(yǔ)識(shí)別驗(yàn)證。a、6種由復(fù)合手勢(shì)組成的手語(yǔ)；b、手語(yǔ)翻譯系統(tǒng)對(duì)6種手語(yǔ)的識(shí)別準(zhǔn)確率；e、手語(yǔ)翻譯系統(tǒng)的各項(xiàng)性能匯總。
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