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中國石油大學（華東）張冬至教授團隊 ACS AMI：用于運動檢測和語音識別的高性能柔性壓力傳感器及其智能感知應用

2022-12-30 來源：高分子科技

柔性壓力傳感器具有柔軟、輕便、易穿戴等突出特點，近年來在可穿戴設備、電子皮膚、人機交互、健康監測等領域得到了廣泛的應用。其中壓阻式柔性壓力傳感器具有制作簡單、信號讀取容易、能耗低、靜壓檢測能力強等優點，被認為是下一代傳感器的理想選擇。為了提高傳感器靈敏度，各種微結構傳感器（如金字塔結構、圓頂結構、圓柱結構和纖維結構）被研究和報道。然而，這些傳感器制造困難并且其壓力檢測范圍有限，導致其大規模制造和實際應用受到限制。因此，開發靈敏度高、檢測范圍大、成本低的柔性壓力傳感器仍然是一個挑戰。

圖1 MoS₂/HEC/PU海綿柔性壓力傳感器用于運動檢測和語音識別

近期，中國石油大學（華東）控制科學與工程學院張冬至教授團隊提出了基于二硫化鉬（MoS₂）/羥乙基纖維素（HEC）/聚氨酯（PU）柔性壓力傳感器，報道了該傳感器在運動檢測中的應用，并結合機器學習算法進行語音檢測（圖1）。在這項工作中，該團隊構造了基于MoS₂/HEC/PU海綿的柔性壓力傳感器，以PU海綿為基底，其內部多孔結構為傳感器提供了良好的機械性能，MoS₂附著在海綿骨架上形成導電路徑。HEC的加入有效地改善了MoS₂的粘附性。基于MoS₂/HEC/PU海綿的柔性壓力傳感器具有靈敏度高、檢測范圍寬、響應速度快、重復性好等特點（圖2）。傳感器能夠對壓力產生靈敏的響應主要歸因于海綿多孔結構以及海綿骨架表面微裂紋的產生（圖3）。基于MoS₂/HEC/PU海綿的壓力傳感器被作為可穿戴設備用于監測關節彎曲、足底壓力，區分不同程度的觸摸等（圖4）。此外，還設計了一個壓力傳感陣列，可用于感知壓力分布并識別手指寫的阿拉伯數字。最后，使用機器學習算法對傳感器檢測到的咽喉肌肉運動信號進行了分類，“help”，“food”，“I”，“need”，“one”，“water”，“wonderful”七個單詞的識別正確率達到97.14% （圖5）。該工作表明了MoS₂/HEC/PU海綿壓力傳感器在下一代智能可穿戴設備、電子皮膚和人機交互設備中的突出潛力。該工作以“Flexible pressure sensors based on molybdenum disulfide/hydroxyethyl cellulose/polyurethane sponge for motion detection and speech recognition using machine learning”為題發表在ACS Applied Materials & Interfaces上。中國石油大學（華東）碩士研究生陳曉雅為論文第一作者，中國石油大學（華東）張冬至教授為論文通訊作者。該研究得到國家自然科學基金項目、泰山學者工程專項經費資助。