近日，東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院MEMS教育部重點實驗室的孫立濤教授研究團(tuán)隊在Microsystems & Nanoengineering上報道了一種新型可穿戴無縫多模傳感器，該傳感器能夠解耦壓力和應(yīng)變刺激，并識別不同的關(guān)節(jié)運動狀態(tài)。在機(jī)器學(xué)習(xí)算法的幫助下，該傳感器能夠準(zhǔn)確識別（97.13%）不同關(guān)節(jié)位置和狀態(tài)的運動特征。
東南大學(xué)孫立濤教授
無縫電阻-電容結(jié)構(gòu)多模（seamless resistance-capacitance structural multimode，SRCSM）傳感器的形貌表征
使用可穿戴傳感器監(jiān)測和識別人體運動特征是了解人體活動和生命體征的重要手段，尤其是在智能醫(yī)療康復(fù)、智能運動鍛煉、軟機(jī)器人和電子皮膚等應(yīng)用中。然而，人體運動是一個涉及多個關(guān)節(jié)的復(fù)雜過程，每個關(guān)節(jié)運動包括骨骼的彎曲/壓縮和覆蓋在骨骼表面的皮膚的拉伸。迄今為止，典型的柔性傳感器通常與人體表面接觸，因此，這些傳感器會受到壓縮壓力和拉伸應(yīng)變的共同刺激。在不同的刺激下，大多數(shù)傳感器都會產(chǎn)生類似的電輸出，因此很難區(qū)分這些機(jī)械性刺激。由于每個關(guān)節(jié)的彎曲/壓縮和拉伸同時發(fā)生，因此非常有必要開發(fā)一種多?？纱┐鱾鞲衅鱽肀O(jiān)測和解耦關(guān)節(jié)運動的多個參數(shù)。
近年來，人們提出了三種設(shè)計多模柔性傳感器的策略。第一種是設(shè)計一個單一結(jié)構(gòu)的傳感器來同時監(jiān)測不同的刺激。然而，單一結(jié)構(gòu)的傳感器仍然難以區(qū)分不同的刺激。第二種是設(shè)計兩個分立的傳感器，并以某種方式將它們組裝在一起，以檢測不同的刺激。這些組裝好的傳感器很好地解決了多種刺激的解耦問題，但其機(jī)械性能和穩(wěn)定性一直存在問題，制造工藝也相對復(fù)雜。第三種是設(shè)計一個單一的結(jié)構(gòu)作為傳感器，并帶有兩個集成的獨立部件。該傳感器可以同時檢測和區(qū)分壓力信號和應(yīng)變信號。然而，復(fù)雜的工藝流程增加了這種傳感器的制造難度和成本。因此，開發(fā)一種制造工藝簡單的可穿戴多模傳感器以實現(xiàn)多個參數(shù)的解耦至關(guān)重要。
東南大學(xué)孫立濤教授研究團(tuán)隊制備出了一種可穿戴無縫電阻-電容結(jié)構(gòu)多模（seamless resistance-capacitance structural multimode，SRCSM）傳感器，該傳感器可以解耦人體運動過程中施加在每個關(guān)節(jié)上的壓力和拉伸應(yīng)變。SRCSM傳感器被集成到一個獨特的無縫結(jié)構(gòu)中，該結(jié)構(gòu)由兩個不同的主要部分（電阻元件和電容元件）組成，以通過獨立的電阻-電容傳感機(jī)制將不同的刺激解耦。研究人員還提出了一種便于大批量生產(chǎn)的逐層鑄造工藝。
SRCSM傳感器的制造工藝
SRCSM傳感器性能
為了證明SRCSM傳感器在可穿戴電子領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力，研究人員測量了由人體運動引起的關(guān)節(jié)彎曲（手指、肘部、手腕和膝蓋）的實時物理信號。此外，由于SRCSM傳感器的解耦雙信號輸出特性，研究人員通過長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（long short-term memory，LSTM）深度學(xué)習(xí)算法對不同關(guān)節(jié)不同姿勢的電子信號進(jìn)行分類，以進(jìn)行識別訓(xùn)練。結(jié)果表明，當(dāng)同時使用電阻和電容數(shù)據(jù)時，手指關(guān)節(jié)彎曲30°、膝關(guān)節(jié)彎曲45°、肘關(guān)節(jié)彎曲45°的分類準(zhǔn)確率分別為94.64%、97.78%和94.44%。此外，其他關(guān)節(jié)姿勢的分類準(zhǔn)確率達(dá)到了100%。僅使用電阻數(shù)據(jù)、電容數(shù)據(jù)以及同時使用電阻和電容數(shù)據(jù)的整體分類準(zhǔn)確率分別為74.79%、77.36%和97.13%，這表明SRCSM傳感器在區(qū)分姿勢方面的分類準(zhǔn)確率最高。因此SRCSM傳感器在科學(xué)運動訓(xùn)練、創(chuàng)新醫(yī)學(xué)和其他領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢。
SRCSM傳感器在較寬壓力和應(yīng)變范圍內(nèi)的潛在應(yīng)用
SRCSM傳感器在不同姿勢識別中的應(yīng)用
盡管這項研究只是概念驗證，但研究人員認(rèn)為，這種簡單、低成本且高效的策略可能成為便攜式電子皮膚、醫(yī)療保健和智能運動監(jiān)控設(shè)備、高級人機(jī)界面和智能軟機(jī)器人感知系統(tǒng)中可穿戴應(yīng)用的潛在候選方案。
論文信息：
Wen, L., Nie, M., Chen, P. et al. Wearable multimode sensor with a seamless integrated structure for recognition of different joint motion states with the assistance of a deep learning algorithm. Microsyst Nanoeng 8, 24 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41378-022-00358-2
