人體運(yùn)動捕捉在生物力學(xué)評估、沉浸式VR/AR等領(lǐng)域需求迫切。傳統(tǒng)光學(xué)式與慣性式運(yùn)動追蹤技術(shù)成本高、校準(zhǔn)復(fù)雜且長期佩戴不適。柔性彎曲傳感器作為新興解決方案，其中的電阻式、電容式與壓電式類型存在持續(xù)耗電、信號易受干擾或僅響應(yīng)動態(tài)刺激等限制。柔性壓電離子傳感器兼具柔軟、自供能、動靜態(tài)響應(yīng)等優(yōu)勢，卻長期受制于靈敏度低、感應(yīng)范圍窄，以及單一自由度響應(yīng)的問題，嚴(yán)重制約其在復(fù)雜人體運(yùn)動捕捉中的實(shí)際應(yīng)用。因此，開發(fā)兼具超高靈敏度、寬檢測范圍及多自由度運(yùn)動分辨能力的壓離子傳感器至關(guān)重要。

中科院上海硅酸鹽研究所孫靜研究員團(tuán)隊的王冉冉研究員和程蔭特聘研究員與新加坡國立大學(xué)Ho Ghim Wei教授進(jìn)行合作，通過材料與結(jié)構(gòu)的雙重設(shè)計，開發(fā)出一款具備高靈敏度、可實(shí)時解析人體復(fù)雜動作的SPIM柔性壓離子傳感器。材料上，借助離子-偶極相互作用促進(jìn)離子通道形成，空間位阻效應(yīng)放大正負(fù)離子遷移率失衡，協(xié)同實(shí)現(xiàn)3.2 mV/度的超高靈敏度；結(jié)構(gòu)上，采用四棱柱纖維搭配對稱納米網(wǎng)格電極，實(shí)現(xiàn)多彎曲自由度解耦，精準(zhǔn)識別屈伸、展收、環(huán)轉(zhuǎn)等復(fù)雜肢體動作。該傳感器進(jìn)一步展示了手部動作的數(shù)字孿生以及基于單關(guān)節(jié)操控的復(fù)雜VR交互，將超高靈敏度、寬角度響應(yīng)與多自由度分辨集成于緊湊可穿戴形態(tài)，有望在穿戴式元宇宙界面交互領(lǐng)域獲得應(yīng)用。相關(guān)研究以“Ultrasensitive multi-degree-of-freedom piezoionic sensor via synergistic hydrogel-ion interactions”為題發(fā)表于最新一期國際期刊《Nature Communications》。論文第一作者是方悅博士、歐陽昊碩士與程蔭特聘研究員，通訊作者為程蔭特聘研究員、Ho Ghim Wei教授和王冉冉研究員。

圖文解析

圖1. SPIM柔性傳感器的設(shè)計及超高靈敏度的機(jī)理分析

圍繞SPIM傳感器的設(shè)計邏輯與超高彎曲靈敏度機(jī)理，圖1呈現(xiàn)了從生物啟發(fā)到性能突破的路徑。圖1a描述了人體皮膚機(jī)械感受器的離子門控傳輸機(jī)制。圖1b中對比了三種水凝膠-離子組合體系，其中兩性離子水凝膠-無機(jī)鹽（PSA-LiCl）通過偶極-離子相互作用構(gòu)建獨(dú)立遷移通道提升了離子遷移效率，而兩性離子水凝膠-有機(jī)鹽（PSA-Li (TFSI)）則借助聚合物-離子雙重作用實(shí)現(xiàn)了超高靈敏度。密度泛函理論計算顯示（圖1c），Li+與PSA中SBMA基團(tuán)的結(jié)合能（-4.3 eV）低于與水分子的結(jié)合能（-1.6 eV），分子動力學(xué)模擬證實(shí)PSA水凝膠中離子擴(kuò)散系數(shù)更高（圖1d），有限元仿真呈現(xiàn)了PSA-Li (TFSI)體系更顯著的電勢差（19.4 mV）（圖1e）。圖1f性能對比表明各項指標(biāo)均優(yōu)于傳統(tǒng)壓離子傳感器及其他機(jī)制傳感器（圖1g）。

圖2.機(jī)械/電氣韌性與界面韌性

研究聚焦傳感器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與界面兼容性，通過水凝膠力學(xué)性能優(yōu)化、電極設(shè)計及界面作用分析，保障傳感器長期使用的可靠性。水凝膠力學(xué)優(yōu)化方面，PSA水凝膠楊氏模量達(dá)14 kPa（圖2a），兼具柔軟性與支撐性，在50%-450%應(yīng)變范圍內(nèi)循環(huán)拉伸后殘余應(yīng)變極小（圖2b、2c），展現(xiàn)出優(yōu)異的回彈能力。電極設(shè)計上，采用靜電紡絲結(jié)合真空蒸鍍制備的eTPU-AgNP納米網(wǎng)電極，具有優(yōu)異電機(jī)械穩(wěn)定性（圖2d）。界面粘附性方面，PSA-Li (TFSI)水凝膠與電極的粘附強(qiáng)度高達(dá)27 kPa，粘附力源于氫鍵、離子-極性相互作用、靜電引力等多重作用，確保傳感器與皮膚或器件的穩(wěn)定結(jié)合。

圖3. PSA-Li(TFSI)的傳感性能

圖3系統(tǒng)展示了SPIM傳感器的關(guān)鍵傳感指標(biāo)。在靈敏度與檢測范圍上（圖3a），輸出電勢隨彎曲角度呈兩段線性增長，60度以下靈敏度為3.2 mV/度，60-180度提升至8.6 mV/度，寬角度范圍充分覆蓋人體關(guān)節(jié)運(yùn)動需求。響應(yīng)時間為200 ms，恢復(fù)時間100 ms，快速響應(yīng)特性滿足實(shí)時運(yùn)動監(jiān)測場景（圖3b），并且具有上下彎曲方向識別能力上（圖3c）。信號重復(fù)性測試中（圖3d），在6-180度彎曲時信號一致性良好，即使6度微小彎曲也能產(chǎn)生穩(wěn)定可分辨的信號。頻率適應(yīng)性上（圖3e），在0.05-4 Hz頻率范圍內(nèi)均能有效捕獲，覆蓋人體關(guān)節(jié)日常運(yùn)動的頻率范圍。長期穩(wěn)定性測試表明（圖3f），40度彎曲角度下經(jīng)過 10,000次循環(huán)后，輸出電勢無明顯衰減，展現(xiàn)出可靠的耐用性。

圖4.自由姿勢手部運(yùn)動的數(shù)字孿生

基于多自由度響應(yīng)能力，SPIM傳感器實(shí)現(xiàn)了腕關(guān)節(jié)復(fù)雜運(yùn)動的精準(zhǔn)捕獲與數(shù)字孿生重建，展示其運(yùn)動追蹤應(yīng)用。傳感器采用四棱柱狀PSA-Li (TFSI)纖維搭配對稱eTPU-AgNP納米網(wǎng)格電極（圖4a），貼合腕骨位置可同步監(jiān)測多方向關(guān)節(jié)運(yùn)動，涵蓋腕關(guān)節(jié)屈曲/伸展、外展/內(nèi)收、順時針/逆時針環(huán)轉(zhuǎn)等復(fù)雜運(yùn)動模式（圖4b）。頻率響應(yīng)測試中，40度伸展運(yùn)動在0.2-1 Hz不同頻率下，傳感器輸出信號幅值穩(wěn)定，與驅(qū)動頻率完全匹配，動態(tài)響應(yīng)性能可靠（圖4d）。數(shù)字孿生流程通過傳感器采集信號，經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換、濾波處理及線性回歸分析后，在Unity引擎中實(shí)現(xiàn)手部運(yùn)動的實(shí)時數(shù)字孿生，其中環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)動時，X-Y軸電極產(chǎn)生具有特定相位差的三角波信號，可精準(zhǔn)還原運(yùn)動軌跡，如視頻1所示。

圖5.單一緊湊傳感器實(shí)現(xiàn)單關(guān)節(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)控制

SPIM傳感器可通過單關(guān)節(jié)動作實(shí)現(xiàn)VR場景的復(fù)雜控制，驗證其作為人機(jī)交互接口的實(shí)用性與便捷性。皮膚集成的SPIM傳感器將腕關(guān)節(jié)彎曲的方向與幅度轉(zhuǎn)化為X、Y軸電勢信號，經(jīng)MCU系統(tǒng)處理后，映射為VR場景中的控制指令，實(shí)現(xiàn)物理動作到虛擬操作的直接轉(zhuǎn)換（圖5a）。圖5b中描述了8種核心駕駛指令，對應(yīng)腕關(guān)節(jié)的單一或組合動作。在VR交通場景演示中（圖5c），佩戴傳感器的操作者通過簡單直觀的腕關(guān)節(jié)運(yùn)動，即可完成虛擬汽車的轉(zhuǎn)向、加速、變道等復(fù)雜操作（如視頻2所示），驗證了傳感器在沉浸式交互中的高效性與直觀性，為元宇宙應(yīng)用提供了輕量化、高精度的控制方案。

審核編輯 黃宇