一、研究介紹

近日，四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院MEMS團(tuán)隊(duì)在柔性可穿戴傳感器件領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，提出了一種基于離子-電子傳輸通道協(xié)同機(jī)制的應(yīng)變傳感器，通過(guò)電子傳感層與離子傳感層之間的阻抗不匹配以及獨(dú)特的傳感機(jī)制，有效解決了應(yīng)變傳感器靈敏度和傳感范圍不可兼得的難題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了超高靈敏度和寬傳感范圍。該成果以“Synergistic ionic and electronic transport pathways enabled strain sensors with ultra-high and modulable sensitivity within wide working range”為題，發(fā)表于國(guó)際知名期刊《Nano research》（川大B刊，IF=9.0）。論文第一作者是2022級(jí)博士生宋洋洋，論文通訊作者為四川大學(xué)王竹卿教授、吳曉東研究員。

二、研究背景

可穿戴柔性應(yīng)變傳感器在健康監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)指導(dǎo)及人機(jī)交互等領(lǐng)域具有關(guān)鍵作用。靈敏度和傳感范圍是應(yīng)變傳感器的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。高靈敏度有利于采集脈搏、發(fā)音等細(xì)微生理信號(hào)，寬傳感范圍則用于監(jiān)測(cè)大幅度的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。然而，傳統(tǒng)應(yīng)變傳感器長(zhǎng)期面臨“靈敏度-傳感范圍”難以兼顧的瓶頸。傳統(tǒng)電子型傳感器以電子作為信號(hào)傳輸載體，傳感層再拉伸狀態(tài)下產(chǎn)生微裂紋，從而實(shí)現(xiàn)了高靈敏度。然而，大應(yīng)變下導(dǎo)電通路完全斷裂，導(dǎo)致傳感范圍窄；新興的離子型傳感器（如水凝膠、離子凝膠傳感器）依托離子傳輸機(jī)制，雖具備高拉伸性與寬工作范圍，但靈敏度極低（GF通常低于4），對(duì)微小形變的檢測(cè)能力有限。

三、研究思路

針對(duì)以上挑戰(zhàn)，四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院王竹卿教授與吳曉東研究員團(tuán)隊(duì)，成功開(kāi)發(fā)出一種基于協(xié)同離子-電子傳輸通路（Synergistic Ionic and Electronic Pathways, SI&EP）的應(yīng)變傳感器。該傳感器融合了兩種不同的傳感機(jī)制：電子傳感層采用褶皺-裂紋結(jié)構(gòu)，在低應(yīng)變條件下通過(guò)裂紋擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)高靈敏度，能夠精準(zhǔn)捕捉細(xì)微的生理信號(hào)；離子傳感層（PVC/DBA/[EMIM][TFSI]）則憑借其內(nèi)部穩(wěn)定的物理-化學(xué)網(wǎng)絡(luò)，具備高達(dá)200%的拉伸性能，適用于大尺度形變監(jiān)測(cè)。由于兩傳感層之間存在顯著的阻抗差異（電子層阻抗遠(yuǎn)低于離子層）以及各自獨(dú)特的傳感機(jī)制，傳感器在低應(yīng)變時(shí)主要由電子層主導(dǎo)，提供高靈敏響應(yīng)；而在大應(yīng)變導(dǎo)致電子通路斷裂后，離子層能夠無(wú)縫接管信號(hào)傳導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)了傳感范圍的極大拓展。SI&EP應(yīng)變傳感器有效整合了兩層材料的性能優(yōu)勢(shì)，在“超高靈敏度”與“超寬工作范圍”兩方面取得突破。實(shí)驗(yàn)表明，該傳感器在0–20%應(yīng)變區(qū)間的應(yīng)變因子（GF）高達(dá)211.8，而在20–24.3%應(yīng)變區(qū)間內(nèi)GF更飆升至5805.3，同時(shí)其傳感范圍可延伸至200%。

基于上述性能，該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)從微弱生理信號(hào)到大幅度關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的全范圍監(jiān)測(cè)，包括手腕脈搏的細(xì)微特征（如舒張波D、潮波T、叩擊波P）、發(fā)音振動(dòng)、呼吸變化，以及肘關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)等大角度活動(dòng)。此外，SI&EP傳感器還可準(zhǔn)確檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的頻率與強(qiáng)度，并監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)前后關(guān)鍵生理指標(biāo)（如心率、呼吸頻率）的變化，對(duì)日常鍛煉和專業(yè)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練具有重要指導(dǎo)意義。研究團(tuán)隊(duì)還結(jié)合一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（1D-CNN），實(shí)現(xiàn)了對(duì)14種不同發(fā)音與手寫動(dòng)作的高精度識(shí)別，識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到94.6%，展現(xiàn)出該傳感器在人機(jī)交互與智能感知領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

四、研究?jī)?nèi)容

圖1.SI&EP傳感器的設(shè)計(jì)原理，及傳感器在運(yùn)動(dòng)指導(dǎo)和機(jī)器學(xué)習(xí)輔助活動(dòng)識(shí)別中的應(yīng)用。

為同時(shí)實(shí)現(xiàn)高靈敏度與寬傳感范圍，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了協(xié)同離子-電子通路（SI&EP）傳感器設(shè)計(jì)（圖1a-d）。該傳感器采用雙層結(jié)構(gòu)：電子傳感層在應(yīng)變下產(chǎn)生微裂紋（圖1b），通過(guò)破壞導(dǎo)電通路實(shí)現(xiàn)高靈敏度響應(yīng)；而離子傳感層則依賴應(yīng)變引起的幾何尺寸變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳導(dǎo)（圖1a），具備更寬的傳感范圍，但靈敏度較低。

在協(xié)同工作機(jī)制中，電子層憑借其褶皺-裂紋結(jié)構(gòu)，在低應(yīng)變區(qū)間主導(dǎo)信號(hào)傳導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)高精度感知；當(dāng)應(yīng)變?cè)龃笾岭娮油窋嗔褧r(shí)，高延展性的離子層能夠無(wú)縫接管信號(hào)傳導(dǎo)，從而將傳感器的有效工作范圍拓展至200%（圖1d）。這一設(shè)計(jì)巧妙融合了兩層材料的優(yōu)勢(shì)，突破了傳統(tǒng)傳感器在靈敏度與量程之間的權(quán)衡限制。

圖2. SI&EP應(yīng)變傳感器的制備流程以及離子傳感層的結(jié)構(gòu)、性能表征

SI&EP傳感器的離子傳感層由PVC、DBA和離子液體構(gòu)成，三者通過(guò)分子間相互作用形成穩(wěn)定的物理-化學(xué)網(wǎng)絡(luò)（圖2b），使其具備優(yōu)異的彈性與拉伸性（圖2c）。該層的力學(xué)性能（如彈性模量）和電學(xué)性能（如靈敏度和電導(dǎo)率）可通過(guò)調(diào)整PVC與DBA的質(zhì)量比進(jìn)行調(diào)控。隨著DBA比例增加，靈敏度（以應(yīng)變因子GF衡量）得以提升，但過(guò)高的DBA會(huì)損害拉伸性（圖2d）。為兼顧寬傳感范圍與適度靈敏度，最終選擇PVC:DBA= 1:5的配比來(lái)制備離子傳感層（圖2e-f）。

圖3. 電子傳感層的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能調(diào)控和傳感原理表征。

為解決離子層靈敏度不足的問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了具有褶皺-裂紋復(fù)合結(jié)構(gòu)的電子傳感層。首先通過(guò)預(yù)拉伸基底在其表面引入可控的褶皺結(jié)構(gòu)以擴(kuò)展工作范圍（圖3a-d）；隨后施加200%的引導(dǎo)應(yīng)變，誘導(dǎo)微裂紋生成，從而賦予其高靈敏度（圖3e-h）。

該褶皺-裂紋結(jié)構(gòu)使電子層在受力時(shí)，裂紋會(huì)隨應(yīng)變?cè)龃蠖鴶U(kuò)展，導(dǎo)致導(dǎo)電通路破壞與電阻急劇上升，實(shí)現(xiàn)高靈敏響應(yīng)；而褶皺結(jié)構(gòu)的存在，則有效延緩了導(dǎo)電通路的完全斷裂，從而在提升靈敏度的同時(shí)兼顧了更寬的工作范圍。

圖4. 離子傳感層與電子傳感層的協(xié)同機(jī)理和SI&EP應(yīng)變傳感器的綜合性能。

為了兼顧高靈敏度與寬傳感范圍，開(kāi)發(fā)了基于協(xié)同離子-電子通路（SI&EP）的創(chuàng)新傳感器構(gòu)型。該設(shè)計(jì)充分利用兩層間顯著的阻抗差異（圖b）與不同傳感機(jī)制（圖c-d）：低應(yīng)變時(shí)，電流主要流經(jīng)低阻抗的電子層，其微裂紋擴(kuò)展帶來(lái)高靈敏度響應(yīng)（0–20%應(yīng)變區(qū)間GF=211.8，20–24.3%區(qū)間GF=5805.3）；當(dāng)應(yīng)變繼續(xù)增大導(dǎo)致電子通路斷裂后，高拉伸性的離子層自動(dòng)接管信號(hào)傳導(dǎo)，將工作范圍拓展至200%，實(shí)現(xiàn)了高靈敏度與寬傳感范圍的有效融合（圖f）。

圖5.SI&EP應(yīng)變傳感器用于生理信號(hào)檢測(cè)和運(yùn)動(dòng)指導(dǎo)。

SI&EP傳感器可貼附于人體多個(gè)部位（如指關(guān)節(jié)、手腕、肘部與膝蓋），實(shí)現(xiàn)對(duì)全方位人體活動(dòng)的有效監(jiān)測(cè)。憑借高靈敏度，該傳感器還可準(zhǔn)確檢測(cè)細(xì)微的脈搏波及呼吸信號(hào)。如圖5(a-d)所示，它能清晰分辨脈搏波形中的舒張波（D）、潮波（T）與叩擊波（P），并可通過(guò)胸帶監(jiān)測(cè)呼吸過(guò)程中胸腔的收縮與擴(kuò)張。此外，由于自己的寬傳感范圍，還可以同步監(jiān)測(cè)了俯臥撐運(yùn)動(dòng)時(shí)肘關(guān)節(jié)的變化（圖5e）。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度（次數(shù)與頻率）、持續(xù)時(shí)間及運(yùn)動(dòng)前后生理參數(shù)（圖5g-j），有助于使用者科學(xué)掌握自身狀態(tài)，合理調(diào)整訓(xùn)練負(fù)荷，有效避免盲目運(yùn)動(dòng)或過(guò)度訓(xùn)練帶來(lái)的健康風(fēng)險(xiǎn)。

圖6. 1D-CNN輔助的發(fā)音和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)識(shí)別，具有94.6%高準(zhǔn)確率。

SI&EP傳感器結(jié)合一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（1D-CNN），實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)微發(fā)音與大幅度關(guān)節(jié)動(dòng)作的高精度識(shí)別（圖6a-d）。該傳感器可同步捕捉喉部發(fā)音的微弱振動(dòng)與手寫字母時(shí)關(guān)節(jié)的大幅度運(yùn)動(dòng)，通過(guò)信號(hào)特征差異構(gòu)建識(shí)別基礎(chǔ)。

對(duì)于7類發(fā)音與7類手寫動(dòng)作，經(jīng)1D-CNN模型訓(xùn)練后，發(fā)音識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)92.1%（圖6e），手寫動(dòng)作識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)97.9%（圖6f）。最終，模型對(duì)14種復(fù)合活動(dòng)的整體識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)94.6%（圖6h），t-SNE可視化分析進(jìn)一步驗(yàn)證了模型對(duì)不同活動(dòng)特征的區(qū)分能力（圖6g）。充分展現(xiàn)了SI&EP傳感器在智能人機(jī)交互與全方位生理信號(hào)識(shí)別領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

來(lái)源：微機(jī)電系統(tǒng)與智能傳感創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)