基于定制裂紋設計的超靈敏透氣水凝膠纖維應變傳感器及無線手語識別應用

聾啞人作為一個特別的群體，由于固有的自身的聽、說能力的限制，他們在日常生活中與健全人群的有效溝通和互動面臨著諸多障礙。手語是一種基于人類手勢和肢體語言的交流方式，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給不懂手語的人造成交流障礙。目前，各種識別人類手勢的技術，包括視覺圖像處理、肌電圖和可穿戴應變傳感器，在改善聾啞人群體的溝通方面發揮了重要作用。特別地，視覺圖像處理在手語識別中的準確性會受到環境背景和光照強度的制約，而肌電圖則受到電磁噪聲和嚴格定位要求的影響。

幸運的是，與剛性傳感器相比，可拉伸可穿戴應變傳感器可以保形粘附或固定在人體的各個關鍵位置，便于將人體內各種物理和機械應變信息轉換為不同的電信號（電阻、電容、電壓等）進行進一步的處理和分析，從而為聾啞人提供更方便有效的交流工具。水凝膠具有類似軟組織的含水結構，具有柔軟度可調、固有拉伸性、機電響應性和生物相容性等優點。因此，它們被廣泛用作應變敏感層，用于實時監測身體運動，為準確的手語識別提供了必要的數據樣本。為了高質量地獲取手語信息，要求應變傳感器具有高靈敏度和寬工作范圍，以實現對細微與大范圍手勢的同時檢測。

然而，大多數基于水凝膠的應變傳感器的傳感機制依賴于幾何形變效應，即水凝膠在拉伸過程中同時發生伸長和橫截面積減小，從而使電阻變化。然后，僅僅依賴幾何形變效應產生的電阻變化很有限。因此，傳統塊體水凝膠存在較低的應變靈敏度（一般GF小于10）和不足的檢測限的問題。此外，水凝膠固有的有限彈性導致應變傳感的響應/恢復時間較長。因此，通過簡便且成本效益高的制造技術設計具有高性能（例如高靈敏度、寬檢測范圍、快速響應/恢復速度、良好穩定性）的可拉伸應變傳感器，以便準確捕捉復雜精細的手語手勢，仍然是一個巨大的挑戰。更重要的是，可穿戴設備的透氣性問題常被忽視，導致在長時間佩戴過程中皮膚濕氣積聚，造成不適。

為了滿足各種人體動作識別的高質量信號采集和設備與人體皮膚界面長期佩戴舒適性的需求，本文開發了一種超靈敏、透氣與可穿戴的應變傳感器。該傳感器由兩端連接的環形聚丙烯酰胺（PAM）/海藻酸鈣（Ca-Alg）雙網絡水凝膠纖維、兩個電極、用于基底和封裝層的Ecoflex膜以及通過纖維和Ecoflex切割引入的定制垂直局部裂紋結構組成。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）可以分別賦予設備優異的透氣性和防水性能，可以根據不同的應用需求進行相應的選擇，從而改善用戶體驗和信號采集。

本論文提出了基于閉環局部裂紋（CLC）應變的傳感機理：即外部應變加載下預切裂紋閉合/打開引發的導電路徑的急劇切換（從低電阻的并聯到高電阻的串聯）和水凝膠纖維的幾何形變效應共同作用下導致電阻急劇變化。這種新型傳感機制使傳感器具有超高靈敏度（最大GF = 3930）、寬檢測范圍（從0.02%到80%的應變）、較短的響應/恢復時間（78/52 ms）和良好的重復性（5000次循環），靈敏度遠高于傳統的無微結構的水凝膠基柔性應變傳感器。更重要的是，裂紋在正常工作范圍內幾乎不擴展，具有良好的機械穩定性。因此，CLC應變傳感器可以準確地檢測人體從微小脈搏到大關節彎曲的各種運動與生理信息。進一步地，結合多通道傳感器模塊、無線電路和人工智能（AI）算法，構建了一種手語識別系統，實現了不同手語信息的無線傳輸和準確識別，準確率高達98.1%，提高了手語交流的效率。本研究展示了采用裂紋水凝膠纖維與AI集成的設備結構設計策略，為制備舒適、高性能、智能可穿戴電子設備提供了簡便而有效的解決方案。

相關工作以“Ultrasensitive and Breathable Hydrogel Fiber-Based Strain Sensors Enabled by Customized Crack Design for Wireless Sign Language Recognition"為題發表在《Advanced Functional Materials》上。通訊作者為中山大學電子與信息工程學院吳進、南京工業大學柔性電子（未來技術）學院霍峰蔚教授和西北工業大學陶凱教授。共同第一作者為中山大學研究生姚帝杰、王偉燕和王浩。

圖1. 水凝膠基CLC應變傳感器的結構設計、制備流程與應用

圖2. CLC應變傳感器的工作機理及傳感性能表征

圖3. CLC應變傳感器的傳感性能調控

圖4. 透氣CLC應變傳感器的傳感性能表征

圖5. CLC傳感器對各種重復的人體運動和生理信號的動態電阻變化

圖6. 應變傳感器在無線手語識別中的應用