北京大学张海霞教授Small: 用于手势识别的可穿戴应变传感器取得新进展
【引言】
随着柔性电子技术和可穿戴技术的快速发展，研究者不断探索适用于人体的高可靠功能器件，比如实现温度的传感、人体汗液的检测和实现对人体运动的监测。在探测人体运动的研究中，对力学量（应力、应变）的感知无疑是整个研究的重点，比如实现对喉部震动的探测，对手指、手臂和腿部等关节部位运动的探测等。这些可被应用于人体健康监测和虚拟现实等领域中的关键技术都为高可靠的应变传感器提出了挑战。针对可拉伸应变传感器的主流研究大致专注在两个方向：一方面，研究者们通过系统设计、引入新的功能材料，或者加入断裂等微结构等提升可拉伸传感器的阻变性能；另一方面，研究者们关注器件的稳定性和可靠性，同时提升数据采集和处理的能力。比如，对于直接涂覆的导电网络，稳定性一直是威胁其功能性的一大问题，研究者们通过附加的封装工艺提升了可拉伸器件的物理稳定性。这两方面的研究进展直接推动了可拉伸应变传感器的发展，为可穿戴应变传感器的实用化奠定了坚实的基础。
【成果简介】
近日，北京大学微电子学研究院张海霞教授（通讯作者）等人在材料领域顶尖期刊Small上发表了题为“Microsphere-Assisted Robust Epidermal Strain Gauge for Static and Dynamic Gesture Recognition”的研究进展，报道了一种基于微球辅助的高可靠应变传感器，并把它应用于静态和动态的手势检测，博士研究生苏宗明为论文第一作者。
该团队开创了一种利用微米球辅助碳纳米管在平面排布的新型工艺。一方面，通过系统、详尽的实验，该团队验证了微米球在碳纳米管平面排布中的作用，分析对比了不同尺寸、不同浓度聚苯乙烯微球对排布结果的影响，研究了导电网络的排布结果如何最终影响可拉伸应变传感器的阻变性能。利用有限元仿真的方法，文章分析并提出了从结构变化到性能提升的物理机理。另一方面，通过胶带实验、长时间重复拉伸等实验的验证，该工作证实了可拉伸弹性体的机械和电学稳定性。最终，通过直接贴附于手指表面，实现了对机械手指运动的动态检测结果以及对人体手指手势的感知。该团队提供了一种简便的、单次加工即用的高可靠阻变式弹性体的加工方法，为可穿戴传感器的简易、廉价以及高可靠的制备提供了一种新的方法。
【图文导读】
图1 高可靠碳纳米管网络的制备工艺及实物展示
(a)微球固定的碳纳米管网络（I-MWNT）的示意图。
(b)碳纳米管裹附在聚苯乙烯（PS）微球阵列表面。
(c)碳纳米管、聚苯乙烯和聚二甲基硅氧烷（PDMS）混合物的SEM。
(d) I-MWNT的制备工艺流程图。
(e)样品的光学照片。
(f)被手扭转的弹性体。
(g-h)样品被拉伸100%前后对比。
图2 微球与碳管的比例对导电薄膜排布的影响
(a)微球与碳管比例为1:0，即不加入碳管。微球按hcp晶体结构规则排布。
(b)微球与碳管比例为5:1，少量碳管使微球排布的规则性降低。少量碳管裹附在微球表面。
(c)微球与碳管比例为1:5，大量碳管使微球排布杂乱无章。碳管开始团聚成簇，表面不平整。
(d)微球与碳管比例为0:1，即不加入微球。碳管形成巨大团簇，无法形成完整连续的薄膜。
图3 微球的尺寸对导电薄膜排布的影响
(a) 微球直径为1微米，微球和碳管比例为1:1。
(b) 微球直径为3微米，微球和碳管比例为1:1。
(c) 微球直径为5微米，微球和碳管比例为1:1。三种尺寸均可形成均匀的导电薄膜。
(d) MWNT/PSs/PDMS三者混合物的表面形貌。在其表面可观测到碳管的存在。
图4 导电弹性体阻变理论、仿真与实验结果对比
(a) 导电弹性体在拉伸过程中阻变的机理：percolation理论。材料内部应力仿真。
(b) 导电弹性体的拉伸测试。
(c) 导电弹性体的第一次和第二次拉伸阻变情况。
(d) 不同参数弹性体的阻变曲线情况对比。
(e) 不同参数弹性体的电阻、阻变以及Gauge Factor情况对比。
图5 导电弹性体的胶带测试及可靠性测试。
(a) 导电弹性体的胶带测试，与直接喷涂样品的对比。
(b) 胶带测试过程中的电阻比较。
(c) 导电弹性体在重复性拉伸过程中表面形貌的SEM照片。
(d) 导电弹性体在重复性拉伸过程中电阻随拉伸收缩的变化。
图6 导电弹性体应用于关节部位的动态、静态测试
(a) 导电弹性体贴附在人手模型的手指关节表面。
(b) 导电弹性体电阻对人手模型关节的弯曲、回复过程的动态响应。
(c) 导电弹性体电阻对人手模型关节不同角度弯曲过程的动态响应。
(d-g) 利用五个导电弹性体实现对五个手指弯曲的探测，利用静态电阻的变化反推人体手势。
【小结】
本文探索了一种制备高可靠可拉伸阻变传感器的新方法，即利用微米球辅助碳纳米管的平面排布。文章对微米球在制备工艺中发挥的作用进行了系统的实验和详尽的分析，在文末对其功能进行了全面的总结。通过该方法制备的可拉伸阻变传感器具有较高的拉伸性能、较强的阻变性能和极高的可靠性。贴附于人体关节，该传感器实现了单手指的动态弯曲探测，多手指静态手势检测以及手势识别，展示了其在可拉伸传感以及可穿戴设备等领域的应用前景。
