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  近年來，柔性應(yīng)變傳感器取得了豐碩的研究成果。研究者也將研究重點從傳感器的基礎(chǔ)性能轉(zhuǎn)移到傳感器的實際應(yīng)用，取得了在軟體機器人、電子皮膚、人機交互和醫(yī)療監(jiān)控等諸多領(lǐng)域的重大突破。應(yīng)變傳感器因其優(yōu)異的彈性和韌性以及與人體皮膚的完美貼合性，實現(xiàn)了在人體健康和運動檢測的實時傳感應(yīng)用。用于檢測人體運動活動的應(yīng)變傳感器需要滿足高靈敏度、快速響應(yīng)、動態(tài)性能穩(wěn)定、線性程度高的特點。此外，柔性應(yīng)變傳感器的可穿戴性與智能化也是設(shè)計者需要著重考慮的問題。因此，構(gòu)建既具有良好穩(wěn)定性又具有全方位人體運動檢測的高性能智能化柔性應(yīng)變傳感器具有重要的應(yīng)用價值。

圖1 MXene/PPy/HEC應(yīng)變傳感器用于脈搏檢測和文字識別

  近期，中國石油大學(xué)（華東）控制科學(xué)與工程學(xué)院張冬至教授團隊提出了基于MXene/聚吡咯（PPy）/羥乙基纖維素（HEC）的柔性應(yīng)變傳感器，報道了該傳感器在健康和運動檢測中的應(yīng)用，并結(jié)合機器學(xué)習(xí)實現(xiàn)了多語言手寫文字的識別（圖1）。在這項工作中，該團隊構(gòu)造了基于MXene/PPy/HEC的柔性應(yīng)變傳感器，以聚二甲基硅氧烷（PDMS）為基底，MXene吸附著在PDMS表面形成導(dǎo)電路徑，HEC的加入有效地改善了PPy的分散性。基于MXene/PPy/HEC的柔性應(yīng)變傳感器具有靈敏度高、線性程度高、檢測范圍寬、響應(yīng)速度快、重復(fù)性好等特點（圖2）。該柔性傳感器能夠?qū)?yīng)變產(chǎn)生靈敏且穩(wěn)定的響應(yīng)，主要歸因于MXene/PPy/HEC薄膜器件的柔韌性與電學(xué)性能（圖3）。該傳感器具有快速響應(yīng)特性和低檢測限，可用于檢測人體健康和體征信號監(jiān)測，如脈搏、發(fā)音、吞咽和呼吸等（圖4）。此外，基于MXene/PPy/HEC的柔性應(yīng)變傳感器作為可穿戴設(shè)備可用于監(jiān)測人類不同狀態(tài)下的關(guān)節(jié)彎曲（圖5）。結(jié)合機器學(xué)習(xí)算法，設(shè)計了基于MXene/PPy/HEC應(yīng)變傳感器的手寫文字識別應(yīng)用，可用于區(qū)分英文字母、阿拉伯?dāng)?shù)字和漢字。使用機器學(xué)習(xí)算法對傳感器檢測到的手寫文字信號進行了識別，識別正確率超過96%（圖6和圖7）。該工作表明了MXene/PPy/HEC應(yīng)變傳感器在智能可穿戴設(shè)備、電子皮膚和人機交互領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力。

圖2 MXene/PPy/HEC應(yīng)變傳感器性能測試

圖3 MXene/PPy/HEC應(yīng)變傳感器的敏感機理

圖4 用于人體健康檢測的MXene/PPy/HEC應(yīng)變傳感器

 圖5 基于MXene/PPy/HEC應(yīng)變傳感器的人體運動檢測應(yīng)用

 圖6 基于MXene/PPy/HEC應(yīng)變傳感器和機器學(xué)習(xí)算法的文字識別

 圖7 基于MXene/PPy/HEC應(yīng)變傳感器的應(yīng)用說明及手寫漢字識別

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c18989

通訊作者介紹

  張冬至，中國石油大學(xué)（華東）教授，控制科學(xué)與工程學(xué)院副院長，山東省泰山學(xué)者，山東省高等學(xué)校青年創(chuàng)新團隊帶頭人，青島市拔尖人才。主要從事微納傳感器技術(shù)與微系統(tǒng)、智能感知與柔性電子技術(shù)、電子信息技術(shù)與檢測儀器等研究。主持國家自然科學(xué)基金項目、山東省重點研發(fā)計劃項目等科研項目20余項，在ACS Nano、Nano-Micro Letters、Nano Energy 等著名期刊上發(fā)表SCI收錄論文170余篇，被國內(nèi)外學(xué)者引用9500余次，H-index為54，入選ESI高被引論文25篇，ESI熱點論文5篇，授權(quán)國家發(fā)明專利20余項，獲省部級科技獎勵一等獎2項、二等獎5項，入選全球前2%頂尖科學(xué)家榜單，獲評中國石油和化工自動化行業(yè)協(xié)會青年科技突出貢獻獎、全國高校礦業(yè)石油與安全工程領(lǐng)域優(yōu)秀青年科技人才獎、中國電子學(xué)會優(yōu)秀科技工作者等。

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