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中國石油大學(xué)（華東）張冬至教授團隊 ACS AMI：用于運動檢測和語音識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，近年來在可穿戴設(shè)備、電子皮膚、人機交互、健康監(jiān)測等領(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單、信號讀取容易、能耗低、靜壓檢測能力強等優(yōu)點，被認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)）被研究和報道。然而，這些傳感器制造困難并且其壓力檢測范圍有限，導(dǎo)致其大規(guī)模制造和實際應(yīng)用受到限制。因此，開發(fā)靈敏度高、檢測范圍大、成本低的柔性壓力傳感器仍然是一個挑戰(zhàn)。

圖1 MoS₂/HEC/PU海綿柔性壓力傳感器用于運動檢測和語音識別

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二硫化鉬（MoS₂）/羥乙基纖維素（HEC）/聚氨酯（PU）柔性壓力傳感器，報道了該傳感器在運動檢測中的應(yīng)用，并結(jié)合機器學(xué)習(xí)算法進行語音檢測（圖1）。在這項工作中，該團隊構(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。基于MoS₂/HEC/PU海綿的柔性壓力傳感器具有靈敏度高、檢測范圍寬、響應(yīng)速度快、重復(fù)性好等特點（圖2）。傳感器能夠?qū)毫Ξa(chǎn)生靈敏的響應(yīng)主要歸因于海綿多孔結(jié)構(gòu)以及海綿骨架表面微裂紋的產(chǎn)生（圖3）。基于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)計了一個壓力傳感陣列，可用于感知壓力分布并識別手指寫的阿拉伯數(shù)字。最后，使用機器學(xué)習(xí)算法對傳感器檢測到的咽喉肌肉運動信號進行了分類，“help”，“food”，“I”，“need”，“one”，“water”，“wonderful”七個單詞的識別正確率達到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。中國石油大學(xué)（華東）碩士研究生陳曉雅為論文第一作者，中國石油大學(xué)（華東）張冬至教授為論文通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金項目、泰山學(xué)者工程專項經(jīng)費資助。