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  柔性傳感器在可穿戴設(shè)備、人機(jī)交互、醫(yī)療監(jiān)測及運(yùn)動(dòng)康復(fù)等新興戰(zhàn)略領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。它們可靈活配置于人體各部位，對各類生理與運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)“實(shí)-虛”世界的交互。然而，如何使其在小尺寸下兼具對微弱生理信號與關(guān)節(jié)大拉伸的高敏探測性能，如何實(shí)現(xiàn)多體征或多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)分布式動(dòng)態(tài)感知，以及如何在復(fù)雜的使用環(huán)境下保持穩(wěn)定的信號輸出，這些仍是柔性可穿戴亟待攻克的難題。

  近日，武漢理工大學(xué)周祖德教授團(tuán)隊(duì)的李天梁教授課題組受圓葉母草（Lindernia Nummularifolia, LN）外形啟發(fā)，開發(fā)了一種以Ecoflex 0030為柔性基底，LN形彎曲光纖為中間層的仿生光纖應(yīng)變（BSOS）傳感器。這種“三明治”結(jié)構(gòu)BSOS傳感器制備工藝簡單，具有優(yōu)異的可拉伸性、柔性、透明性以及防水性（圖1）。

圖1. BSOS傳感器的結(jié)構(gòu)模型。（a）BSOS傳感器的設(shè)計(jì)靈感及“三明治”結(jié)構(gòu)；（b）透明性、柔性、可拉伸性；（c）尺寸、重量和防水性。

  BSOS傳感器利用光纖光柵窄帶濾波原理，在LN形光纖的兩端各配置有一段光纖光柵（FBG）。融合所提出的光纖光柵波長-光強(qiáng)混合編碼方法，構(gòu)建了具有溫度自補(bǔ)償?shù)碾p光纖光柵光強(qiáng)差分應(yīng)變傳感模型，實(shí)現(xiàn)了對人體微小應(yīng)變與大應(yīng)變的混合測量。BSOS傳感器傳感區(qū)域的拉伸率高達(dá)80%，突破了石英光纖延展性不足（<1%）的瓶頸難題，滿足人體關(guān)節(jié)彎曲引發(fā)的皮膚大應(yīng)變的監(jiān)測需求（大于30%）。由于BSOS傳感器采用小型化的皮膚貼片式設(shè)計(jì)，其尺寸僅有硬幣大小，最大應(yīng)變靈敏度高達(dá)1.387 dB/mm，可實(shí)現(xiàn)對0~90°內(nèi)彎曲角的探測。此外，它在高達(dá)20000次連續(xù)動(dòng)態(tài)拉伸下仍能穩(wěn)定輸出，兼具出色的動(dòng)態(tài)特性。這些優(yōu)異性能使其可用于包括眼部和喉部的微小肌肉活動(dòng)及關(guān)節(jié)大幅度彎曲運(yùn)動(dòng)等在內(nèi)的人體各類運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測（圖2）。

  與此同時(shí)，還開發(fā)了多個(gè)基于BSOS傳感器的人機(jī)交互界面，包括面向關(guān)節(jié)和肌肉損傷患者的沉浸式康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)、基于指關(guān)節(jié)和咬肌活動(dòng)的病患免提通訊系統(tǒng)、以及遠(yuǎn)程機(jī)器人輔助堆疊游戲等（圖3），以期為醫(yī)療保健及運(yùn)動(dòng)康復(fù)領(lǐng)域提供創(chuàng)新性的人機(jī)交互解決方案。

  該研究成果以“Bioinspired Stretchable Fiber-Based Sensor toward Intelligent Human?Machine Interactions”為題，發(fā)表于ACS Applied Materials & Interfaces（DOI：10.1021/acsami.2c05823），武漢理工大學(xué)系論文唯一完成單位，李天梁教授，研究生蘇軼飛，孟偉副教授、艾青松教授、劉泉教授、譚躍剛教授和周祖德教授等為共同作者，該研究得到了國家自然科學(xué)基金的支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c05823