把“三明治”植入智能手套中，會發(fā)生什么？

 兩片面包+肉片或蔬菜，這是我們常見的三明治組成形式。那么，高新納米柔性傳感技術制成的“三明治”，你見過么？
日前，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所陳韋研究員團隊就以納米復合材料為電極，離子聚合物為中間層，制成了一個“三明治”結構柔性力學傳感器。
讓我們來看看這個“三明治”柔性力學傳感器是怎么工作的。
這個“三明治”柔性力學傳感器采用打孔石墨烯（H-RGO）和單壁碳納米管（CNTs）自組裝形成的三維交聯(lián)復合結構“面包層”。這個“面包層”既利于形成有效的離子遷移通道，又具有力學、電學性能穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡結構，從而保證了優(yōu)異的大應變力學傳感穩(wěn)定性。同時，高離子負載量的柔性“中間層”保證了高離子電導率以及器件的力學柔韌性。
傳感器基于離子壓電新機制感知外界壓力，在材料發(fā)生形變時，兩片“面包層”呈現(xiàn)收縮和伸張的狀態(tài)，陰陽離子向材料伸張面的遷移速度不同導致各向異性傳輸累積，在兩交聯(lián)電極“面包層”形成電勢差，產(chǎn)生感應信號輸出。因而傳感器能夠實現(xiàn)對不同形變方向識別以及無源傳感等新功能和新特性，終實現(xiàn)柔性力學傳感器的復雜大形變穩(wěn)定性、無源自驅動以及方位識別等優(yōu)異性能。
簡而言之，這個傳感器可以在無源條件下，精確穩(wěn)定地監(jiān)測大尺度多方位空間位移形變。它能解決現(xiàn)有大部分柔性傳感器存在的需電源驅動、無方向識別性以及復雜大形變不穩(wěn)定等難點。
傳感器作為智能穿戴系統(tǒng)的核心，其相關技術的關鍵性突破使得智能穿戴系統(tǒng)在健康監(jiān)測以及人機交互等的實際應用得到進一步保障與拓展，一定程度上解決了智能穿戴便攜式產(chǎn)品發(fā)展過程中的瓶頸問題。這個傳感器大大改善了智能穿戴系統(tǒng)的集成度、便攜性。
這個“三明治”柔性力學傳感器有什么用？它如何應用在穿戴系統(tǒng)中呢？這個傳感器所集成的傳感陣列，可以有效識別手指彎曲、手腕向上彎曲/向下彎曲/向內(nèi)旋轉/向外旋轉等多維度手部動作。因此，該團隊成功將其應用于靈巧手語識別和編譯過程，所發(fā)展的智能手套可以感知手語動作的變化，對不同構型甚至是細微變化、動作相近的手語做出精確的響應與識別。并且在連續(xù)6000次實測中，傳感信號無明顯衰減，性能穩(wěn)定。
科研人員還在繼續(xù)努力，希望未來可通過結合相關的數(shù)據(jù)和指令庫將手語直接翻譯為文本或者語音，為廣大聾啞人帶來福音。該成果對發(fā)展穿戴式多尺度人體活動監(jiān)測技術與產(chǎn)品開發(fā)具有重要的科研意義和應用價值。
相關研究成果已發(fā)表在近期ACS Nano雜志上（http://dx.doi.org/10.1021/acsnano.7b02767）。
該工作得到國家自然科學基金面上項目、中科院對外合作重點項目、江蘇省科技計劃項目(產(chǎn)業(yè)前瞻與共性關鍵技術)等的資助。

圖1.（a)離子形變傳感器的制備過程；(b)器件組成結構；(c)H-RGO/CNTs界面電極結構

圖2.(a)傳感器的離子傳感機理；(b）器件對不同應變的響應；(c）對方向的識別；(d）循環(huán)穩(wěn)定性

圖3.(a）傳感器的多維分辨能力；(b）智能手套和手語監(jiān)測識別