近日，東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的孫立濤教授研究團(tuán)隊(duì)在Microsystems & Nanoengineering上報(bào)道了一種新型可穿戴無(wú)縫多模傳感器，該傳感器能夠解耦壓力和應(yīng)變刺激，并識(shí)別不同的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在機(jī)器學(xué)習(xí)算法的幫助下，該傳感器能夠準(zhǔn)確識(shí)別（97.13%）不同關(guān)節(jié)位置和狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)特征。

東南大學(xué)孫立濤教授

無(wú)縫電阻-電容結(jié)構(gòu)多模（seamless resistance-capacitance structural multimode，SRCSM）傳感器的形貌表征

使用可穿戴傳感器監(jiān)測(cè)和識(shí)別人體運(yùn)動(dòng)特征是了解人體活動(dòng)和生命體征的重要手段，尤其是在智能醫(yī)療康復(fù)、智能運(yùn)動(dòng)鍛煉、軟機(jī)器人和電子皮膚等應(yīng)用中。然而，人體運(yùn)動(dòng)是一個(gè)涉及多個(gè)關(guān)節(jié)的復(fù)雜過程，每個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)包括骨骼的彎曲/壓縮和覆蓋在骨骼表面的皮膚的拉伸。迄今為止，典型的柔性傳感器通常與人體表面接觸，因此，這些傳感器會(huì)受到壓縮壓力和拉伸應(yīng)變的共同刺激。在不同的刺激下，大多數(shù)傳感器都會(huì)產(chǎn)生類似的電輸出，因此很難區(qū)分這些機(jī)械性刺激。由于每個(gè)關(guān)節(jié)的彎曲/壓縮和拉伸同時(shí)發(fā)生，因此非常有必要開發(fā)一種多?？纱┐鱾鞲衅鱽?lái)監(jiān)測(cè)和解耦關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的多個(gè)參數(shù)。

近年來(lái)，人們提出了三種設(shè)計(jì)多模柔性傳感器的策略。第一種是設(shè)計(jì)一個(gè)單一結(jié)構(gòu)的傳感器來(lái)同時(shí)監(jiān)測(cè)不同的刺激。然而，單一結(jié)構(gòu)的傳感器仍然難以區(qū)分不同的刺激。第二種是設(shè)計(jì)兩個(gè)分立的傳感器，并以某種方式將它們組裝在一起，以檢測(cè)不同的刺激。這些組裝好的傳感器很好地解決了多種刺激的解耦問題，但其機(jī)械性能和穩(wěn)定性一直存在問題，制造工藝也相對(duì)復(fù)雜。第三種是設(shè)計(jì)一個(gè)單一的結(jié)構(gòu)作為傳感器，并帶有兩個(gè)集成的獨(dú)立部件。該傳感器可以同時(shí)檢測(cè)和區(qū)分壓力信號(hào)和應(yīng)變信號(hào)。然而，復(fù)雜的工藝流程增加了這種傳感器的制造難度和成本。因此，開發(fā)一種制造工藝簡(jiǎn)單的可穿戴多模傳感器以實(shí)現(xiàn)多個(gè)參數(shù)的解耦至關(guān)重要。

東南大學(xué)孫立濤教授研究團(tuán)隊(duì)制備出了一種可穿戴無(wú)縫電阻-電容結(jié)構(gòu)多模（seamless resistance-capacitance structural multimode，SRCSM）傳感器，該傳感器可以解耦人體運(yùn)動(dòng)過程中施加在每個(gè)關(guān)節(jié)上的壓力和拉伸應(yīng)變。SRCSM傳感器被集成到一個(gè)獨(dú)特的無(wú)縫結(jié)構(gòu)中，該結(jié)構(gòu)由兩個(gè)不同的主要部分（電阻元件和電容元件）組成，以通過獨(dú)立的電阻-電容傳感機(jī)制將不同的刺激解耦。研究人員還提出了一種便于大批量生產(chǎn)的逐層鑄造工藝。

SRCSM傳感器的制造工藝

SRCSM傳感器性能

為了證明SRCSM傳感器在可穿戴電子領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力，研究人員測(cè)量了由人體運(yùn)動(dòng)引起的關(guān)節(jié)彎曲（手指、肘部、手腕和膝蓋）的實(shí)時(shí)物理信號(hào)。此外，由于SRCSM傳感器的解耦雙信號(hào)輸出特性，研究人員通過長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)（long short-term memory，LSTM）深度學(xué)習(xí)算法對(duì)不同關(guān)節(jié)不同姿勢(shì)的電子信號(hào)進(jìn)行分類，以進(jìn)行識(shí)別訓(xùn)練。結(jié)果表明，當(dāng)同時(shí)使用電阻和電容數(shù)據(jù)時(shí)，手指關(guān)節(jié)彎曲30°、膝關(guān)節(jié)彎曲45°、肘關(guān)節(jié)彎曲45°的分類準(zhǔn)確率分別為94.64%、97.78%和94.44%。此外，其他關(guān)節(jié)姿勢(shì)的分類準(zhǔn)確率達(dá)到了100%。僅使用電阻數(shù)據(jù)、電容數(shù)據(jù)以及同時(shí)使用電阻和電容數(shù)據(jù)的整體分類準(zhǔn)確率分別為74.79%、77.36%和97.13%，這表明SRCSM傳感器在區(qū)分姿勢(shì)方面的分類準(zhǔn)確率最高。因此SRCSM傳感器在科學(xué)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、創(chuàng)新醫(yī)學(xué)和其他領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)。

SRCSM傳感器在較寬壓力和應(yīng)變范圍內(nèi)的潛在應(yīng)用

SRCSM傳感器在不同姿勢(shì)識(shí)別中的應(yīng)用

盡管這項(xiàng)研究只是概念驗(yàn)證，但研究人員認(rèn)為，這種簡(jiǎn)單、低成本且高效的策略可能成為便攜式電子皮膚、醫(yī)療保健和智能運(yùn)動(dòng)監(jiān)控設(shè)備、高級(jí)人機(jī)界面和智能軟機(jī)器人感知系統(tǒng)中可穿戴應(yīng)用的潛在候選方案。