近日，東南大學電子科學與工程學院MEMS教育部重點實驗室的孫立濤教授研究團隊在Microsystems & Nanoengineering上報道了一種新型可穿戴無縫多模傳感器，該傳感器能夠解耦壓力和應變刺激，并識別不同的關節(jié)運動狀態(tài)。在機器學習算法的幫助下，該傳感器能夠準確識別（97.13%）不同關節(jié)位置和狀態(tài)的運動特征。

東南大學孫立濤教授

無縫電阻-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)測和識別人體運動特征是了解人體活動和生命體征的重要手段，尤其是在智能醫(yī)療康復、智能運動鍛煉、軟機器人和電子皮膚等應用中。然而，人體運動是一個涉及多個關節(jié)的復雜過程，每個關節(jié)運動包括骨骼的彎曲/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，這些傳感器會受到壓縮壓力和拉伸應變的共同刺激。在不同的刺激下，大多數(shù)傳感器都會產(chǎn)生類似的電輸出，因此很難區(qū)分這些機械性刺激。由于每個關節(jié)的彎曲/壓縮和拉伸同時發(fā)生，因此非常有必要開發(fā)一種多模可穿戴傳感器來監(jiān)測和解耦關節(jié)運動的多個參數(shù)。

近年來，人們提出了三種設計多模柔性傳感器的策略。第一種是設計一個單一結(jié)構(gòu)的傳感器來同時監(jiān)測不同的刺激。然而，單一結(jié)構(gòu)的傳感器仍然難以區(qū)分不同的刺激。第二種是設計兩個分立的傳感器，并以某種方式將它們組裝在一起，以檢測不同的刺激。這些組裝好的傳感器很好地解決了多種刺激的解耦問題，但其機械性能和穩(wěn)定性一直存在問題，制造工藝也相對復雜。第三種是設計一個單一的結(jié)構(gòu)作為傳感器，并帶有兩個集成的獨立部件。該傳感器可以同時檢測和區(qū)分壓力信號和應變信號。然而，復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)一種制造工藝簡單的可穿戴多模傳感器以實現(xiàn)多個參數(shù)的解耦至關重要。

東南大學孫立濤教授研究團隊制備出了一種可穿戴無縫電阻-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動過程中施加在每個關節(jié)上的壓力和拉伸應變。SRCSM傳感器被集成到一個獨特的無縫結(jié)構(gòu)中，該結(jié)構(gòu)由兩個不同的主要部分（電阻元件和電容元件）組成，以通過獨立的電阻-電容傳感機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域的巨大應用潛力，研究人員測量了由人體運動引起的關節(jié)彎曲（手指、肘部、手腕和膝蓋）的實時物理信號。此外，由于SRCSM傳感器的解耦雙信號輸出特性，研究人員通過長短期記憶網(wǎng)絡（long short-term memory，LSTM）深度學習算法對不同關節(jié)不同姿勢的電子信號進行分類，以進行識別訓練。結(jié)果表明，當同時使用電阻和電容數(shù)據(jù)時，手指關節(jié)彎曲30°、膝關節(jié)彎曲45°、肘關節(jié)彎曲45°的分類準確率分別為94.64%、97.78%和94.44%。此外，其他關節(jié)姿勢的分類準確率達到了100%。僅使用電阻數(shù)據(jù)、電容數(shù)據(jù)以及同時使用電阻和電容數(shù)據(jù)的整體分類準確率分別為74.79%、77.36%和97.13%，這表明SRCSM傳感器在區(qū)分姿勢方面的分類準確率最高。因此SRCSM傳感器在科學運動訓練、創(chuàng)新醫(yī)學和其他領域具有顯著優(yōu)勢。

SRCSM傳感器在較寬壓力和應變范圍內(nèi)的潛在應用

SRCSM傳感器在不同姿勢識別中的應用

盡管這項研究只是概念驗證，但研究人員認為，這種簡單、低成本且高效的策略可能成為便攜式電子皮膚、醫(yī)療保健和智能運動監(jiān)控設備、高級人機界面和智能軟機器人感知系統(tǒng)中可穿戴應用的潛在候選方案。