安徽建筑大學(xué)：研究碳納米管/聚氨酯海綿壓力傳感器的創(chuàng)新應(yīng)用

柔性壓力傳感器在人機(jī)交互、運(yùn)動(dòng)檢測和手勢識(shí)別等多個(gè)領(lǐng)域都非常重要。本文，安徽建筑大學(xué)Yang Song等研究人員在《ACS Appl. Electron. Mater.》期刊發(fā)表名為“Wearable and Cost-Effective Pressure Sensor Based on a Carbon Nanotube/Polyurethane Sponge for Motion Detection and Gesture Recognition"的論文，研究利用碳納米管和聚氨酯海綿的復(fù)合材料開發(fā)了一種壓阻式壓力傳感器。傳感器是通過浸漬干燥法制造的，這種方法可使碳納米管（CNT）附著在聚氨酯海綿（PUS）的骨架上。所獲得的傳感器具有以下優(yōu)異特性：靈敏度高（2.7% kPa-1）、響應(yīng)迅速（響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間分別為 60/100 ms）、長期穩(wěn)定性好（在加載/卸載循環(huán)過程中以 0.1 Hz 頻率在 18,000 秒內(nèi)保持 0-100 kPa 范圍內(nèi)的一致響應(yīng)信號(hào)）。

結(jié)果表明，傳感器可以有效捕捉這些不同的信號(hào)，從而區(qū)分不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。此外，該傳感器還能通過有規(guī)律的按壓準(zhǔn)確傳遞 26 個(gè)英文字母和 10 個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字的摩爾斯電碼。最后，利用傳感器制作了一個(gè)感知手套，用于表達(dá)阿拉伯?dāng)?shù)字 0-9 的手勢。基于 Inception 網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)了 10 種手勢的高準(zhǔn)確率（99.5%）手勢識(shí)別。這項(xiàng)工作為生產(chǎn)柔性壓力傳感器提供了一種成本效益高且簡單的方法，可用于各種應(yīng)用，包括人體運(yùn)動(dòng)檢測、可穿戴設(shè)備、手勢識(shí)別和人機(jī)交互。

總之，通過低成本的浸漬干燥法制備了CNT/PUS，將 CNT 粘附在 PUS 的骨架結(jié)構(gòu)上形成敏感層，從而生產(chǎn)出夾層型壓阻壓力傳感器。該傳感器具有出色的靈敏度（在 15 kPa 范圍內(nèi)，S 值為 2.7% kPa-1）、快速響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間（60/100 ms）、較小的滯后（10.75%）和強(qiáng)大的循環(huán)穩(wěn)定性（0-100 kPa 范圍內(nèi)為 18,000 s，工作頻率為 0.1 Hz）。因此，該傳感器易于制造，價(jià)格低廉，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和潛在應(yīng)用。當(dāng) CNT/PUS 傳感器位于人體的不同部位（如指尖、手指、手腕、肘部、膝部和足部）時(shí)，能夠檢測到各種人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)。

此外，該傳感器還可以通過有規(guī)律的按壓來傳遞摩爾斯電碼信息，是一種理想的信息傳播設(shè)備。最后，通過膠帶將五個(gè)傳感器粘貼在每個(gè)手指的近節(jié)上，制作了一個(gè)傳感手套。該手套可檢測不同手指的屈伸信號(hào)。為了創(chuàng)建手勢樣本數(shù)據(jù)集，我們收集了 1000 個(gè)樣本，并使用最小-歸一化方法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理。基于該數(shù)據(jù)集，我們構(gòu)建了 Inception Network、LeNet、決策樹和 k-nearest neighbor 模型來對(duì)阿拉伯?dāng)?shù)字 0-9手勢進(jìn)行分類。Inception Network 模型的平均準(zhǔn)確率達(dá)到 99.5%。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器非常適合用于檢測人體運(yùn)動(dòng)、傳輸信息、識(shí)別手勢以及其他潛在應(yīng)用。

來源：傳感器專家網(wǎng)