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中國(guó)石油大學(xué)（華東）張冬至教授團(tuán)隊(duì) ACS AMI：用于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和語(yǔ)音識(shí)別的高性能柔性壓力傳感器及其智能感知應(yīng)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(diǎn)，近年來在可穿戴設(shè)備、電子皮膚、人機(jī)交互、健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其中壓阻式柔性壓力傳感器具有制作簡(jiǎn)單、信號(hào)讀取容易、能耗低、靜壓檢測(cè)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)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(jié)構(gòu)傳感器（如金字塔結(jié)構(gòu)、圓頂結(jié)構(gòu)、圓柱結(jié)構(gòu)和纖維結(jié)構(gòu)）被研究和報(bào)道。然而，這些傳感器制造困難并且其壓力檢測(cè)范圍有限，導(dǎo)致其大規(guī)模制造和實(shí)際應(yīng)用受到限制。因此，開發(fā)靈敏度高、檢測(cè)范圍大、成本低的柔性壓力傳感器仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。


圖1 MoS2/HEC/PU海綿柔性壓力傳感器用于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和語(yǔ)音識(shí)別


  近期，中國(guó)石油大學(xué)（華東）控制科學(xué)與工程學(xué)院張冬至教授團(tuán)隊(duì)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(bào)道了該傳感器在運(yùn)動(dòng)檢測(cè)中的應(yīng)用，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行語(yǔ)音檢測(cè)（圖1）。在這項(xiàng)工作中，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)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(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)為傳感器提供了良好的機(jī)械性能，MoS2附著在海綿骨架上形成導(dǎo)電路徑。HEC的加入有效地改善了MoS2的粘附性；MoS2/HEC/PU海綿的柔性壓力傳感器具有靈敏度高、檢測(cè)范圍寬、響應(yīng)速度快、重復(fù)性好等特點(diǎn)（圖2）。傳感器能夠?qū)毫Ξa(chǎn)生靈敏的響應(yīng)主要?dú)w因于海綿多孔結(jié)構(gòu)以及海綿骨架表面微裂紋的產(chǎn)生（圖3）；MoS2/HEC/PU海綿的壓力傳感器被作為可穿戴設(shè)備用于監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)彎曲、足底壓力，區(qū)分不同程度的觸摸等（圖4）。此外，還設(shè)計(jì)了一個(gè)壓力傳感陣列，可用于感知壓力分布并識(shí)別手指寫的阿拉伯?dāng)?shù)字。最后，使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)傳感器檢測(cè)到的咽喉肌肉運(yùn)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了分類，“help”，“food”，“I”，“need”，“one”，“water”，“wonderful”七個(gè)單詞的識(shí)別正確率達(dá)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(shè)備、電子皮膚和人機(jī)交互設(shè)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(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。中國(guó)石油大學(xué)（華東）碩士研究生陳曉雅為論文第一作者，中國(guó)石油大學(xué)（華東）張冬至教授為論文通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、泰山學(xué)者工程專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助。

 

圖2 MoS2/HEC/PU海綿柔性傳感器性能測(cè)試

 

圖3 MoS2/HEC/PU海綿柔性壓力傳感器的敏感機(jī)理

 

圖4 用于可穿戴傳感設(shè)備的MoS2/HEC/PU海綿柔性壓力傳感器

 

圖5 基于MoS2/HEC/PU海綿柔性壓力傳感器和機(jī)器學(xué)習(xí)算法的語(yǔ)音識(shí)別


  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c16730

  下載：Flexible pressure sensors based on molybdenum disulfide/hydroxyethyl cellulose/polyurethane sponge for motion detection and speech recognition using machine learning

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