中科院蘇州納米所ACS Nano：“千折不撓”納米復合電極實現離子傳感器手語智能識別

【引言】

人類的日常行為活動會產生多種物理信號，這些信號都是重要的健康指示燈。檢測和量化這些物理信號能夠實現疾病診斷、健康監測、運動控制和人機交互。而傳統的檢測設備通常體型較大、結構堅硬、價格昂貴、操作困難，因此難以實現實時信號監測。

柔性可穿戴的傳感器具備輕質、相容性好、價格低廉、易集成的特點，有望貼附在人體上實時檢測人類活動產生的各種物理信號。然而，目前大部分關于可穿戴傳感器的研究工作關注點為檢測微小的應變或應力變化，極少著重于檢測類似手腕活動和手指動作這類復雜多變的人類活動，這些行為動作導致的應變和形變程度一般都相對較高。因此，人類行為活動的實時監測設備需要能夠長期耐受極端機械形變的柔性而穩定的器件材料。

【成果簡介】

近日，中科院蘇州納米所陳韋研究員（通訊作者）團隊在ACS Nano上發表題為 “Passive and Space-Discriminative Ionic Sensors Based on Durable Nanocomposite Electrodes toward Sign Language Recognition”的文章。研究者利用層狀多孔石墨烯(H-RGO)/CNTs/Ag納米線作為納米復合電極材料，離子聚合物TPU/EMITFSI為中間層構建柔性離子傳感器（離子皮膚），該復合電極的網絡結構為離子傳輸和積累提供通道與空間。施加應變情況下，離子傳輸和積累的不平衡導致傳感器電壓的起伏變化，該傳感器在1%的應變下能夠產生2.6 mV的靈敏電壓響應，并且在6000次彎曲循環測試后仍保持穩定性能；在此基礎上，作者制備了基于離子傳感器的智能手套，通過關節位置上的傳感器陣列實現不同手語信號的識別。此研究為未來智能動作識別的發展以及下一代人機交互的智能控制提供可能。

【圖文導讀】

圖1、離子傳感器的制備過程及傳感器組分的形貌表征

(a) 離子傳感器制備過程示意圖

(b) 離子傳感器橫截面SEM圖像（插圖為電極放大之后的SEM圖）

(c) Ag納米線層的SEM圖

(d, e) 組裝后的H-RGO/CNTs層的SEM橫截面視圖與俯視圖

圖2、離子傳感器的傳感性能表征

(a) 離子傳感器的工作原理示意圖

(b) 基于四種不同電極的傳感器對相同彎曲動作的電學反應信號對比圖

(c) 分析模型中離子傳感器形變位移與電壓變化

(d) 應力變化與相應的電壓變化

(e) 彎曲方向變化時的電壓響應

圖3、離子傳感器的穩定性測試

(a) 6000次彎曲/復位（彎曲形變量：5 mm）循環測試下的離子傳感器輸出電位變化

(b, c) 圖a區域放大圖，展現了傳感器的重復性和穩定性

(d) 彎曲形變量為3、5、7 mm循環時離子傳感器的電位響應圖

(e) 傳感器靈敏度（ΔV/ε）與相應的電位變化（ΔV=V-V₀）與應變（ε）的關系曲線

圖4、多種動作下電壓信號監測

(a) 手腕向下彎曲與向上彎曲時電壓變化（插圖表示傳感器置于手腕頂端）

(b) 手腕內翻和外旋時的電壓變化（插圖表示傳感器置于手腕內側）

(c, d) 對應手腕動作變換下的電壓信號形狀

(e) 手腕動作說明圖

圖5、負載離子傳感器組的智能手套手語識別性能表征

(a) 傳感器分布位置示意圖

(b) 負載6個傳感器的智能手套（傳感器的位置分別為手腕頂端，大拇指，食指，中指，無名指，小指關節處）

(c) 負載8個傳感器的智能手套（傳感器的位置分別為手腕頂端，手腕外側，手腕內側，大拇指，食指，中指，無名指，小指關節處）

(d, e) 不同手語動作時傳感器的電壓圖譜

【小結】

在文中，研究者將H-RGO/CNTs/Ag納米復合電極與TPU/EMITFSI離子聚合物中間層組裝為柔性離子傳感器，復合電極中多孔的石墨烯與單壁碳納米管網絡結構為離子傳輸和積累提供通道。通過彎曲狀態下的離子非平衡分布輸出的電壓信號，可監測手指或手腕的活動，此離子傳感器表現出優異的靈敏度和重復穩定性。基于柔性傳感器組集成得到智能離子傳感手套，通過置于不同關節位置的傳感器檢測的輸出電壓圖譜可識別多種手語信號。該離子傳感智能手套將為下一代人機交互的動作識別與智能控制的發展提供幫助。

文獻鏈接：Passive and Space-Discriminative Ionic Sensors Based on Durable Nanocomposite Electrodes toward Sign Language Recognition （ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b02767）

本文由材料人編輯部曾沙編譯，丁菲菲審核。

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