背景介紹

具有全向傳感能力的柔性和可拉伸物理傳感器在應對醫療監測、人體運動檢測和人機界面中復雜、可變和動態的現實場景方面具有重要意義。為了量化振動和變形刺激，可拉伸應變傳感器在可穿戴電子產品和電子皮膚領域發揮著至關重要的作用，具有高靈活性、簡單性和一致性的優點。在可拉伸應變傳感器的開發方面取得了顯著成就，重點是通過利用新型納米材料和微/納米結構來提高其靈敏度、可拉伸性、耐用性、滯后性和檢測限。值得注意的是，需要在小應變范圍內具有出色的靈敏度，使傳感器能夠檢測到脈搏波和喉嚨振動等微小的生物物理信號。然而，由于其固有特性，如長徑比大的結構和單向分布的傳感材料，大多數性能優異的可拉伸應變傳感器都受到僅將單軸應變轉換為電信號的能力的限制，阻礙了它們在多軸應變環境中的應用。因此，迫切需要開發更復雜的應變傳感器系統，能夠有效地感知包含來自各個方向的應變的復雜信息。

最近，為了檢測更復雜的多軸應變條件，主要通過兩種策略開發了全向應變傳感技術：單傳感器和多傳感器系統。在單傳感器方案中，某些各向同性全向柔性應變傳感器是使用圍繞圓形排列的彎曲微槽設計的，并將手性伸縮超材料結合到基板中。雖然這些傳感器可以高靈敏度地檢測來自多個方向的應變，但它們無法用單個傳感器確定應變的具體方向，因此需要額外的傳感器陣列。之前實現定向應變傳感的嘗試基于多傳感器系統方法，通常涉及以特定角度定位的兩個或三個各向異性應變傳感器，以及基于每個傳感器之間的信號差計算應變強度和方向的定制算法，這與本工作中提出的單傳感器方法有著根本的不同。此外，由于缺乏各向同性特性，當涉及到處理多向應變（即在不同方向施加相同的應變）時，多傳感器系統方法更加復雜。從技術上講，在單個傳感器內實現各向同性全向應變傳感和方向識別是極具挑戰性的，因為基本原理從根本上講是相反的。各向同性傳感需要一個均勻的平臺來輸出相同的響應，而方向識別則依賴于信號的差異。因此，考慮到傳感器的預期簡單性和效率，對于各種實際應用來說，迫切需要一種將這兩個特征結合起來的可行策略。

本文亮點

1. 本工作介紹了第一個同時具有各向同性全向超敏應變傳感和方向識別（IOHSDR）功能的設備。通過從三維模擬人類手指，IOHSDR設備實現了一種新型的異質基底，該基底結合了圓的漸開線，從而在徑向方向上產生各向同性行為，在漸開線方向上具有各向異性特性，用于超靈敏應變傳感。

2. 在基于深度學習的模型的幫助下，IOHSDR設備在識別360°拉伸方向方面實現了99.58%的驚人準確率。

3. 它在可拉伸應變傳感器的典型性能方面表現出卓越的性能，規格系數為634.12，檢測限為0.01%的超低，耐用性超過15000次循環。

4. 橈動脈脈搏和喉部振動應用的演示突出了IOHSDR各向同性全向傳感和精確方向檢測的獨特特性，從而推出了新型可穿戴健康監測設備。

圖文解析

圖1. IOHSDR（各向同性全向超敏傳感和方向識別）應變傳感器系統的示意圖。a） 多維仿生IOHSDR應變傳感器設計和結構示意圖，從三個方面模仿人類手指：（i）指紋結構激發（ii）提供超敏反應的異質基質；（iii）指紋螺紋圖案激發（iv）圓的漸開線作為基板的脊，提供各向同性全向應變傳感；（v） 柔軟的人體皮膚激發（vi）皮膚般的底層，以更好地進行應變傳導；（vii）IOHSDR應變傳感器結構，其由功能層和具有模量梯度的三層基板組成。b） IOHSDR應變傳感器功能示意圖：（i）具有可拉伸銀電極A-E的單個IOHSDR應力傳感器；（ii iv）從電極對AE檢測到的全向（360°）應變和喉部振動；（v-vi）使用來自電極對BC、CD和DE的三通道信號通過基于深度學習的模型進行應變方向識別。

圖2. 設備的特性描述。a） 石墨烯功能層沿拉伸方向的微裂紋的顯微鏡（上圖）和SEM（下圖）圖像，比例尺分別為200和250 μm。b） 拉伸-釋放循環期間相對阻力變化的滯后。c） 0.25%、1.0%、2.0%和3.0%循環應變下的相對阻力變化。d） 0.05%和0.01%循環應變下的檢測限穩定性試驗。e） 在0.5%應變下，通過多循環拉伸和釋放超過15000次循環進行耐久性測試。f） 應變傳感器IOHSDR、C1、C2和C3之間相對電阻變化的比較。g） C1的結構和截面圖，帶有未調制的基板；C2具有由楊氏模量調制的基底；基板由橫截面積調制。h） 應變傳感器IOHSDR、C1、C2和C3之間的應變系數比較。

圖3. IOHSDR應變傳感器的各向同性全向超敏應變傳感。a） 各向同性全向應變傳感機制：（i）IOHSDR應變傳感器的俯視物理照片；（ii）各向同性全向應變傳感的數學分析：無論拉伸方向如何，總有一個垂直于它的漸開線在基板中引起最大應變響應；（iii）增強應變傳感的數學分析：由于每個漸開線環的平行切線，拉伸導致所有環出現最大應變；（iv）IOHSDR應變傳感器0°拉伸的有限元分析結果。b） IOHSDR傳感器全向（360°）應變傳感結果；以15°的間隔以12個角度施加相等大小的應變，覆蓋整個360°范圍。c） 信號強度在12個拉伸方向上的相對電阻變化曲線。

圖4. 基于IOHSDR應變傳感器的脈搏波監測和喉部振動檢測演示。a） IOHSDR應變傳感器采集的橈動脈脈搏波形，顯示包括前進波（P）、反射切跡（W）、反射波（T）、重博切跡（V）和重博波（D）在內的詳細信息。b） 手腕上的IOHSDR傳感器以0°至180°的角度以45°的間隔獲得四個脈沖波形。c、 d）單詞對的喉嚨振動信號：“綿羊”和“船”，“沙漠”和“甜點”。e–h）通過以45°的間隔將傳感器在喉嚨皮膚上的附著角度從0°改變到180°，獲得了“Do”（單音節動詞）、“Time”（單音節名詞）、“Cambridge”（雙音節）和“University”（五音節）的喉嚨振動信號。

圖5. 深度學習輔助方向識別。a） 方向識別機制：（i）360°應變方向識別的三個通道；（ii）分析在各向同性和各向異性狀態之間動態切換的通道；（iii）在75°和165°拉伸下三個通道的有限元分析結果。b） 通道1、通道2和通道3在以15°間隔從0°拉伸到180°期間的相對阻力變化和幅度趨勢曲線。c） 基于卷積神經網絡（CNN）的IOHSDR應變傳感器識別拉伸方向模型的結構。d） 用于以15°間隔對0°至180°的12個拉伸方向進行分類的混淆矩陣。

來源：柔性傳感及器件