中科院上海硅酸鹽所/新加坡國(guó)立大學(xué)最新合作《自然·通訊》：多自由度高靈敏柔性壓離子傳感器

人體運(yùn)動(dòng)捕捉在生物力學(xué)評(píng)估、沉浸式VR/AR等領(lǐng)域需求迫切。傳統(tǒng)光學(xué)式與慣性式運(yùn)動(dòng)追蹤技術(shù)成本高、校準(zhǔn)復(fù)雜且長(zhǎng)期佩戴不適。柔性彎曲傳感器作為新興解決方案，其中的電阻式、電容式與壓電式類(lèi)型存在持續(xù)耗電、信號(hào)易受干擾或僅響應(yīng)動(dòng)態(tài)刺激等限制。柔性壓電離子傳感器兼具柔軟、自供能、動(dòng)靜態(tài)響應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，卻長(zhǎng)期受制于靈敏度低、感應(yīng)范圍窄，以及單一自由度響應(yīng)的問(wèn)題，嚴(yán)重制約其在復(fù)雜人體運(yùn)動(dòng)捕捉中的實(shí)際應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)兼具超高靈敏度、寬檢測(cè)范圍及多自由度運(yùn)動(dòng)分辨能力的壓離子傳感器至關(guān)重要。

中科院上海硅酸鹽研究所孫靜研究員團(tuán)隊(duì)的王冉冉研究員和程蔭特聘研究員與新加坡國(guó)立大學(xué)Ho Ghim Wei教授進(jìn)行合作，通過(guò)材料與結(jié)構(gòu)的雙重設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出一款具備高靈敏度、可實(shí)時(shí)解析人體復(fù)雜動(dòng)作的SPIM柔性壓離子傳感器。材料上，借助離子-偶極相互作用促進(jìn)離子通道形成，空間位阻效應(yīng)放大正負(fù)離子遷移率失衡，協(xié)同實(shí)現(xiàn)3.2 mV/度的超高靈敏度；結(jié)構(gòu)上，采用四棱柱纖維搭配對(duì)稱納米網(wǎng)格電極，實(shí)現(xiàn)多彎曲自由度解耦，精準(zhǔn)識(shí)別屈伸、展收、環(huán)轉(zhuǎn)等復(fù)雜肢體動(dòng)作。該傳感器進(jìn)一步展示了手部動(dòng)作的數(shù)字孿生以及基于單關(guān)節(jié)操控的復(fù)雜VR交互，將超高靈敏度、寬角度響應(yīng)與多自由度分辨集成于緊湊可穿戴形態(tài)，有望在穿戴式元宇宙界面交互領(lǐng)域獲得應(yīng)用。相關(guān)研究以“Ultrasensitive multi-degree-of-freedom piezoionic sensor via synergistic hydrogel-ion interactions”為題發(fā)表于最新一期國(guó)際期刊《Nature Communications》。論文第一作者是方悅博士、歐陽(yáng)昊碩士與程蔭特聘研究員，通訊作者為程蔭特聘研究員、Ho Ghim Wei教授和王冉冉研究員。

圖文解析

圖1. SPIM柔性傳感器的設(shè)計(jì)及超高靈敏度的機(jī)理分析

圍繞SPIM傳感器的設(shè)計(jì)邏輯與超高彎曲靈敏度機(jī)理，圖1呈現(xiàn)了從生物啟發(fā)到性能突破的路徑。圖1a描述了人體皮膚機(jī)械感受器的離子門(mén)控傳輸機(jī)制。圖1b中對(duì)比了三種水凝膠-離子組合體系，其中兩性離子水凝膠-無(wú)機(jī)鹽（PSA-LiCl）通過(guò)偶極-離子相互作用構(gòu)建獨(dú)立遷移通道提升了離子遷移效率，而兩性離子水凝膠-有機(jī)鹽（PSA-Li (TFSI)）則借助聚合物-離子雙重作用實(shí)現(xiàn)了超高靈敏度。密度泛函理論計(jì)算顯示（圖1c），Li+與PSA中SBMA基團(tuán)的結(jié)合能（-4.3 eV）低于與水分子的結(jié)合能（-1.6 eV），分子動(dòng)力學(xué)模擬證實(shí)PSA水凝膠中離子擴(kuò)散系數(shù)更高（圖1d），有限元仿真呈現(xiàn)了PSA-Li (TFSI)體系更顯著的電勢(shì)差（19.4 mV）（圖1e）。圖1f性能對(duì)比表明各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于傳統(tǒng)壓離子傳感器及其他機(jī)制傳感器（圖1g）。

圖2.機(jī)械/電氣韌性與界面韌性

研究聚焦傳感器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與界面兼容性，通過(guò)水凝膠力學(xué)性能優(yōu)化、電極設(shè)計(jì)及界面作用分析，保障傳感器長(zhǎng)期使用的可靠性。水凝膠力學(xué)優(yōu)化方面，PSA水凝膠楊氏模量達(dá)14 kPa（圖2a），兼具柔軟性與支撐性，在50%-450%應(yīng)變范圍內(nèi)循環(huán)拉伸后殘余應(yīng)變極小（圖2b、2c），展現(xiàn)出優(yōu)異的回彈能力。電極設(shè)計(jì)上，采用靜電紡絲結(jié)合真空蒸鍍制備的eTPU-AgNP納米網(wǎng)電極，具有優(yōu)異電機(jī)械穩(wěn)定性（圖2d）。界面粘附性方面，PSA-Li (TFSI)水凝膠與電極的粘附強(qiáng)度高達(dá)27 kPa，粘附力源于氫鍵、離子-極性相互作用、靜電引力等多重作用，確保傳感器與皮膚或器件的穩(wěn)定結(jié)合。

圖3. PSA-Li(TFSI)的傳感性能

圖3系統(tǒng)展示了SPIM傳感器的關(guān)鍵傳感指標(biāo)。在靈敏度與檢測(cè)范圍上（圖3a），輸出電勢(shì)隨彎曲角度呈兩段線性增長(zhǎng)，60度以下靈敏度為3.2 mV/度，60-180度提升至8.6 mV/度，寬角度范圍充分覆蓋人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)需求。響應(yīng)時(shí)間為200 ms，恢復(fù)時(shí)間100 ms，快速響應(yīng)特性滿足實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景（圖3b），并且具有上下彎曲方向識(shí)別能力上（圖3c）。信號(hào)重復(fù)性測(cè)試中（圖3d），在6-180度彎曲時(shí)信號(hào)一致性良好，即使6度微小彎曲也能產(chǎn)生穩(wěn)定可分辨的信號(hào)。頻率適應(yīng)性上（圖3e），在0.05-4 Hz頻率范圍內(nèi)均能有效捕獲，覆蓋人體關(guān)節(jié)日常運(yùn)動(dòng)的頻率范圍。長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試表明（圖3f），40度彎曲角度下經(jīng)過(guò) 10,000次循環(huán)后，輸出電勢(shì)無(wú)明顯衰減，展現(xiàn)出可靠的耐用性。

圖4.自由姿勢(shì)手部運(yùn)動(dòng)的數(shù)字孿生

基于多自由度響應(yīng)能力，SPIM傳感器實(shí)現(xiàn)了腕關(guān)節(jié)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)捕獲與數(shù)字孿生重建，展示其運(yùn)動(dòng)追蹤應(yīng)用。傳感器采用四棱柱狀PSA-Li (TFSI)纖維搭配對(duì)稱eTPU-AgNP納米網(wǎng)格電極（圖4a），貼合腕骨位置可同步監(jiān)測(cè)多方向關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，涵蓋腕關(guān)節(jié)屈曲/伸展、外展/內(nèi)收、順時(shí)針/逆時(shí)針環(huán)轉(zhuǎn)等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)模式（圖4b）。頻率響應(yīng)測(cè)試中，40度伸展運(yùn)動(dòng)在0.2-1 Hz不同頻率下，傳感器輸出信號(hào)幅值穩(wěn)定，與驅(qū)動(dòng)頻率完全匹配，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能可靠（圖4d）。數(shù)字孿生流程通過(guò)傳感器采集信號(hào)，經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換、濾波處理及線性回歸分析后，在Unity引擎中實(shí)現(xiàn)手部運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)數(shù)字孿生，其中環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，X-Y軸電極產(chǎn)生具有特定相位差的三角波信號(hào)，可精準(zhǔn)還原運(yùn)動(dòng)軌跡，如視頻1所示。

圖5.單一緊湊傳感器實(shí)現(xiàn)單關(guān)節(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)控制

SPIM傳感器可通過(guò)單關(guān)節(jié)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)VR場(chǎng)景的復(fù)雜控制，驗(yàn)證其作為人機(jī)交互接口的實(shí)用性與便捷性。皮膚集成的SPIM傳感器將腕關(guān)節(jié)彎曲的方向與幅度轉(zhuǎn)化為X、Y軸電勢(shì)信號(hào)，經(jīng)MCU系統(tǒng)處理后，映射為VR場(chǎng)景中的控制指令，實(shí)現(xiàn)物理動(dòng)作到虛擬操作的直接轉(zhuǎn)換（圖5a）。圖5b中描述了8種核心駕駛指令，對(duì)應(yīng)腕關(guān)節(jié)的單一或組合動(dòng)作。在VR交通場(chǎng)景演示中（圖5c），佩戴傳感器的操作者通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，即可完成虛擬汽車(chē)的轉(zhuǎn)向、加速、變道等復(fù)雜操作（如視頻2所示），驗(yàn)證了傳感器在沉浸式交互中的高效性與直觀性，為元宇宙應(yīng)用提供了輕量化、高精度的控制方案。

視頻1

視頻2

總結(jié)

本研究針對(duì)人體運(yùn)動(dòng)捕捉對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)精準(zhǔn)記錄的需求，研發(fā)出一款軟質(zhì)壓離子型皮膚集成式SPIM柔性傳感器。該傳感器通過(guò)水凝膠-離子協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)超高離子靈敏度；方形柱狀水凝膠與對(duì)稱電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，賦予多自由度彎曲運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)能力。同時(shí)，水凝膠-電極優(yōu)異的機(jī)械/電學(xué)彈性及穩(wěn)固界面，保障了持久穩(wěn)定的柔性傳感性能，綜合參數(shù)達(dá)到同類(lèi)壓離子柔性傳感器領(lǐng)先水平。研究將該傳感器應(yīng)用于元宇宙場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了手部自由姿態(tài)的數(shù)字孿生，以及基于單關(guān)節(jié)靈活性的虛擬現(xiàn)實(shí)直觀控制，展現(xiàn)出其在實(shí)時(shí)精準(zhǔn)生物力學(xué)分析、下一代沉浸式娛樂(lè)領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-67613-8