【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】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，而在過載、瞬時沖擊、多次循環(huán)彎曲/扭折等條件下的機械魯棒性將影響可穿戴設(shè)備實際應(yīng)用環(huán)境條件下的長期可靠服役。截至目前，采用簡單方法制備兼具高靈敏度和機械魯棒性的柔性應(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)用到人機交互系統(tǒng)等實際應(yīng)用場景中，將會為此類器件的研發(fā)提供全新思路。
 

　　近期，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心薄膜與微尺度材料及力學(xué)性能研究團隊，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，提出將裂紋類傳感器的傳感機制引入高機械魯棒性蛇形曲流結(jié)構(gòu)中，通過對傳感層進行巧妙的高/低電阻區(qū)調(diào)控實現(xiàn)高靈敏度傳感的學(xué)術(shù)思想，研制出靈敏度與裂紋類傳感器相當(GF > 1000)且機械魯棒性優(yōu)異的柔性應(yīng)變傳感器。該傳感器在過載、沖擊、水下浸泡、高/低溫等嚴苛環(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10000周。同時，該傳感器具有響應(yīng)和回復(fù)時間快(< 58 ms)、滯后性低等優(yōu)勢。
 

　　該團隊將傳感器進一步集成到自主設(shè)計的無線可穿戴人機交互系統(tǒng)中，結(jié)合機器學(xué)習、用戶界面設(shè)計等技術(shù)實現(xiàn)了實時手語翻譯功能。傳感器的高靈敏度和響應(yīng)速度賦予了該系統(tǒng)及時準確的感知能力，同時高機械魯棒性則賦予該系統(tǒng)在實際應(yīng)用場景中長期可靠服役的能力。該系統(tǒng)利用機器學(xué)習分類算法實現(xiàn)了對15種單一手勢手語的識別和6種組合手勢手語的識別(識別準確率分別達98.2%和98.9%)。系統(tǒng)整體的響應(yīng)時間小于1s。成本低廉、質(zhì)輕便攜且操作簡便的系統(tǒng)既可將手語實時翻譯成語音播放，又可通過定制的用戶界面實現(xiàn)信號曲線和翻譯結(jié)果的可視化。后期可通過優(yōu)化電路設(shè)計、擴展機器學(xué)習的手勢或手語數(shù)據(jù)庫，將該手勢識別技術(shù)進一步應(yīng)用于人機交互、虛擬現(xiàn)實、手勢認證、智能傳感、醫(yī)療健康等關(guān)鍵場景。該研究為實現(xiàn)柔性條件下的穩(wěn)定增敏機制提供了新思路，有望促進可穿戴人機交互系統(tǒng)的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。此外，該團隊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)研究工作的長期積累，研制出微機電系統(tǒng)(MEMS)用超長服役壽命的納米復(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)變傳感手語識別系統(tǒng)的研究成果，以Ultra-Robust and Sensitive Flexible Strain Sensor for Real-Time and Wearable Sign Language Translation為題，在線發(fā)表在Advanced Functional Materials上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、金屬所“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)計和制備。a、蛇形曲流結(jié)構(gòu)的傳感機制；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；d、相鄰曲流條紋的接觸區(qū)域長度隨應(yīng)變的變化曲線；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；b、高/低電阻區(qū)調(diào)控后的響應(yīng)曲線；c、在不同峰值應(yīng)變下的循環(huán)響應(yīng)曲線，極限檢測應(yīng)變；d、響應(yīng)和回復(fù)時間。

 

　　圖3.柔性應(yīng)變傳感器的機械魯棒性。a、循環(huán)穩(wěn)定性；b、最大可承受應(yīng)變；c-e：對嚴苛環(huán)境的耐受力。

 

　　圖4.可穿戴手語翻譯系統(tǒng)。a、應(yīng)用場景示意圖；b、系統(tǒng)框架；c、手語手套；d、無線電路板；e、用戶界面。

 

　　圖5.手語識別驗證。a、6種由復(fù)合手勢組成的手語；b、手語翻譯系統(tǒng)對6種手語的識別準確率；e、手語翻譯系統(tǒng)的各項性能匯總。