聾啞人作為一個(gè)獨(dú)特的群體,由于固有的自身的聽(tīng)、說(shuō)能力的限制,他們?cè)谌粘I钪信c健全人群的有效溝通和互動(dòng)面臨著諸多障礙。手語(yǔ)是一種基于人類(lèi)手勢(shì)和肢體語(yǔ)言的交流方式,在聾啞人群體中被廣泛使用,但其抽象性和地域多樣性可能會(huì)給不懂手語(yǔ)的人造成交流障礙。目前,各種識(shí)別人類(lèi)手勢(shì)的技術(shù),包括視覺(jué)圖像處理、肌電圖和可穿戴應(yīng)變傳感器,在改善聾啞人群體的溝通方面發(fā)揮了重要作用。特別地,視覺(jué)圖像處理在手語(yǔ)識(shí)別中的準(zhǔn)確性會(huì)受到環(huán)境背景和光照強(qiáng)度的制約,而肌電圖則受到電磁噪聲和嚴(yán)格定位要求的影響。
幸運(yùn)的是,與剛性傳感器相比,可拉伸可穿戴應(yīng)變傳感器可以保形粘附或固定在人體的各個(gè)關(guān)鍵位置,便于將人體內(nèi)各種物理和機(jī)械應(yīng)變信息轉(zhuǎn)換為不同的電信號(hào)(電阻、電容、電壓等)進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析,從而為聾啞人提供更方便有效的交流工具。水凝膠具有類(lèi)似軟組織的含水結(jié)構(gòu),具有柔軟度可調(diào)、固有拉伸性、機(jī)電響應(yīng)性和生物相容性等優(yōu)點(diǎn)。因此,它們被廣泛用作應(yīng)變敏感層,用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)身體運(yùn)動(dòng),為準(zhǔn)確的手語(yǔ)識(shí)別提供了必要的數(shù)據(jù)樣本。為了高質(zhì)量地獲取手語(yǔ)信息,要求應(yīng)變傳感器具有高靈敏度和寬工作范圍,以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)微與大范圍手勢(shì)的同時(shí)檢測(cè)。然而,大多數(shù)基于水凝膠的應(yīng)變傳感器的傳感機(jī)制依賴于幾何形變效應(yīng),即水凝膠在拉伸過(guò)程中同時(shí)發(fā)生伸長(zhǎng)和橫截面積減小,從而使電阻變化。然后,僅僅依賴幾何形變效應(yīng)產(chǎn)生的電阻變化很有限。因此,傳統(tǒng)塊體水凝膠存在較低的應(yīng)變靈敏度(一般GF小于10)和不足的檢測(cè)限的問(wèn)題。此外,水凝膠固有的有限彈性導(dǎo)致應(yīng)變傳感的響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。因此,通過(guò)簡(jiǎn)便且成本效益高的制造技術(shù)設(shè)計(jì)具有高性能(例如高靈敏度、寬檢測(cè)范圍、快速響應(yīng)/恢復(fù)速度、良好穩(wěn)定性)的可拉伸應(yīng)變傳感器,以便準(zhǔn)確捕捉復(fù)雜精細(xì)的手語(yǔ)手勢(shì),仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。更重要的是,可穿戴設(shè)備的透氣性問(wèn)題常被忽視,導(dǎo)致在長(zhǎng)時(shí)間佩戴過(guò)程中皮膚濕氣積聚,造成不適。
為了滿足各種人體動(dòng)作識(shí)別的高質(zhì)量信號(hào)采集和設(shè)備與人體皮膚界面長(zhǎng)期佩戴舒適性的需求,本文開(kāi)發(fā)了一種超靈敏、透氣與可穿戴的應(yīng)變傳感器。該傳感器由兩端連接的環(huán)形聚丙烯酰胺(PAM)/海藻酸鈣(Ca-Alg)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠纖維、兩個(gè)電極、用于基底和封裝層的Ecoflex膜以及通過(guò)纖維和Ecoflex切割引入的定制垂直局部裂紋結(jié)構(gòu)組成。值得注意的是,多孔彈性體封裝膜(PEEM)和非多孔彈性體封裝膜(NEEM)可以分別賦予設(shè)備優(yōu)異的透氣性和防水性能,可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行相應(yīng)的選擇,從而改善用戶體驗(yàn)和信號(hào)采集。
圖1 水凝膠基CLC應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備流程與應(yīng)用
圖2 CLC應(yīng)變傳感器的工作機(jī)理及傳感性能表征
圖3 CLC應(yīng)變傳感器的傳感性能調(diào)控
圖4 透氣CLC應(yīng)變傳感器的傳感性能表征
圖5 CLC傳感器對(duì)各種重復(fù)的人體運(yùn)動(dòng)和生理信號(hào)的動(dòng)態(tài)電阻變化
圖6 應(yīng)變傳感器在無(wú)線手語(yǔ)識(shí)別中的應(yīng)用
論文信息:
Dijie Yao, Weiyan Wang, Hao Wang, Yibing Luo, Haojun Ding, Yiqun Gu, Hongjing Wu, Kai Tao*, Bo-Ru Yang, Shaowu Pan, Jun Fu, Fengwei Huo*, and Jin Wu*, Ultrasensitive and Breathable Hydrogel Fiber-Based Strain Sensors Enabled by Customized Crack Design for Wireless Sign Language Recognition. Adv. Funct. Mater. 2024, 2416482.
原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202416482
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