導(dǎo)電彈性體因其的柔性和穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于人機(jī)交互和健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。為了獲得良好的伸縮性和導(dǎo)電性，通常在柔性聚合物基體中摻雜導(dǎo)電填料（如碳材料、導(dǎo)電聚合物）。近年來(lái)，許多研究致力于提高應(yīng)變傳感器的靈敏度和測(cè)量范圍，并取得了顯著成果。然而，高速連續(xù)動(dòng)態(tài)應(yīng)變往往會(huì)引起噪聲干擾和基線(xiàn)漂移，從而影響傳感器的準(zhǔn)確性。目前，如何分析并解決基于彈性體的應(yīng)變傳感器的基線(xiàn)漂移仍然是一個(gè)重要的技術(shù)挑戰(zhàn)。 一方面，彈性體的固有粘彈性阻礙了拉伸后的快速應(yīng)力釋放，導(dǎo)致基線(xiàn)漂移增加。多相復(fù)合材料已被用于減少能量耗散并改善傳感器性能。研究表明，不同材料的協(xié)同作用可有效降低彈性體中的滯后現(xiàn)象，但充分消除仍然挑戰(zhàn)性。值得注意的是，即使是輕微的滯后應(yīng)力也可能引起顯著的信號(hào)漂移。此外，拉伸松弛的速度影響彈性體內(nèi)殘余應(yīng)力的分布，在高速應(yīng)變情況下，滯后效應(yīng)更加明顯。 針對(duì)上述問(wèn)題，大連理工大學(xué)潘路軍教授團(tuán)隊(duì)借助國(guó)儀量子掃描電鏡進(jìn)行了深入研究，提出雙相導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)與穩(wěn)定電極界面的協(xié)同結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)筑應(yīng)變傳感器。傳感器表面燒結(jié)而成的銀金屬島在傳感器釋放過(guò)程中主導(dǎo)電阻變化，從而降低接線(xiàn)漂移。經(jīng)模擬優(yōu)化后的榫卯互鎖結(jié)構(gòu)與PET剛性島協(xié)同增強(qiáng)了電極界面的穩(wěn)定性，進(jìn)一步降低基線(xiàn)飄移與傳感器噪聲。得益于協(xié)同結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，即使在連續(xù)高速（800 mm/min）大應(yīng)變下，拉伸釋放后的電阻值仍可無(wú)延遲地恢復(fù)99.999%。 此外，傳感器還具有靈敏度（GF=55442）、超低檢測(cè)限（<0.02%）、快速響應(yīng)/恢復(fù)（52/60 ms）及長(zhǎng)期穩(wěn)定性（>5000次循環(huán)）?；谠搨鞲衅鞯膯瓮ǖ朗謩?shì)識(shí)別系統(tǒng)可達(dá)到98.2%的識(shí)別準(zhǔn)確率，展現(xiàn)出在智能交互、健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。該研究以題為“Synergistic Structural Construction of Strain Sensors with Low Baseline Drift and High Sensitivity for Continuous Dynamic Monitoring"的論文發(fā)表在《Nano Letters》上。 基于導(dǎo)電彈性體應(yīng)變傳感器現(xiàn)存問(wèn)題及 低漂移傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 雙相分級(jí)網(wǎng)絡(luò)和電極區(qū)域的優(yōu)化設(shè)計(jì) 研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入MTJ&PET結(jié)構(gòu)，有效降低了電極偏移帶來(lái)的噪聲，實(shí)現(xiàn)了更穩(wěn)定的界面接觸。對(duì)比測(cè)試表明，采用傳統(tǒng)銀膠電極的傳感器在1 s內(nèi)電阻變化為0.174，而MTJ&PET結(jié)構(gòu)傳感器僅為0.006，界面穩(wěn)定性顯著提高。在動(dòng)態(tài)拉伸過(guò)程中，銀膠界面易破裂，產(chǎn)生嚴(yán)重噪聲，而MTJ&PET界面即使在80%應(yīng)變下也保持穩(wěn)定。進(jìn)一步通過(guò)動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試評(píng)估了不同結(jié)構(gòu)對(duì)基線(xiàn)漂移（PBD）的影響。結(jié)果顯示，Ag/CNT-PDMS雙相分層網(wǎng)絡(luò)可顯著降低PBD，其中Ag/CNT-PDMS20表現(xiàn)較佳，平均PBD僅為1.91×10?2%，遠(yuǎn)低于單一CNT-PDMS結(jié)構(gòu)。Ag島的二維/三維形貌變化影響了電阻響應(yīng)與漂移行為，粗糙表面形成的3D Ag島有助于降低基線(xiàn)漂移。通過(guò)有限元分析優(yōu)化了MTJ&PET的尺寸參數(shù)，最終確定較佳設(shè)計(jì)為L(zhǎng)1=0.7 cm、L2=1 cm、L3=0.4 cm。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證，優(yōu)化結(jié)構(gòu)下電極界面應(yīng)變僅為0.42%，有效提升了應(yīng)變環(huán)境下的信號(hào)穩(wěn)定性。整體結(jié)果表明，MTJ&PET結(jié)合Ag/CNT-PDMS雙相網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，大幅提升了柔性傳感器在大應(yīng)變條件下的穩(wěn)定性和可靠性。 燒結(jié)后的金屬銀納米顆粒的SEM圖像。 高速連續(xù)動(dòng)態(tài)應(yīng)變下的低基線(xiàn)漂移特性 為了驗(yàn)證優(yōu)化的電極區(qū)域穩(wěn)定性，研究團(tuán)隊(duì)制造了四種不同電極結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳感器，并進(jìn)行了連續(xù)拉伸和釋放測(cè)試。結(jié)果表明，W/O PET&MTJ 和 W MTJ 電極區(qū)域在80%和60%應(yīng)變下出現(xiàn)明顯變形，與仿真預(yù)測(cè)一致。缺乏PET支撐的W MTJ傳感器在60%應(yīng)變時(shí)發(fā)生斷裂，而W PET和W PET&MTJ結(jié)構(gòu)則在80%應(yīng)變下保持完整，說(shuō)明PET有效提升了局部彈性模量。在基線(xiàn)漂移測(cè)試中，W PET&MTJ傳感器表現(xiàn)出較小的漂移，其釋放后阻值變化僅為0.072，且在1.25秒內(nèi)快速恢復(fù)，恢復(fù)率高達(dá)99.999%。進(jìn)一步在不同拉伸速度（50–800 mm/min）下的測(cè)試中，傳感器依然保持了極低的基線(xiàn)漂移。得益于Ag islands的補(bǔ)償作用，傳感器能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)快速大幅度動(dòng)態(tài)應(yīng)變變化（圖3h,i）。 低漂移應(yīng)變傳感器的感應(yīng)機(jī)制和基本性能 受雙相導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的影響，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的應(yīng)變傳感器在拉伸過(guò)程中經(jīng)歷了三個(gè)階段的電阻變化。初期，連續(xù)的Ag薄膜主導(dǎo)導(dǎo)電，隨后Ag島與CNT-PDMS20并聯(lián)，最終隨著拉伸加劇，CNT-PDMS20成為電阻主導(dǎo)。傳感器在0–5%、5–12%和12–80%應(yīng)變區(qū)間的靈敏度（GF）分別達(dá)到7200、55442和10986，滿(mǎn)足大多數(shù)應(yīng)用需求。不同批次制備的傳感器在各階段均展現(xiàn)出良好的靈敏度一致性，且在靜態(tài)測(cè)試中呈現(xiàn)優(yōu)異的線(xiàn)性歐姆特性。即使在0.02%的微小應(yīng)變下，傳感器也能保持高信噪比和穩(wěn)定響應(yīng)?？焖倮鞙y(cè)試顯示其響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間僅為52 ms和60 ms，支持實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。在不同拉伸速度下（20%應(yīng)變），傳感器保持穩(wěn)定的電阻響應(yīng)，并在5000次循環(huán)測(cè)試中僅出現(xiàn)1.17%的微小偏移，顯示出優(yōu)異的耐久性。與已有PDMS基應(yīng)變傳感器相比，該傳感器在靈敏度和感應(yīng)范圍方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，展現(xiàn)了其在動(dòng)態(tài)應(yīng)變應(yīng)用中的巨大潛力。 基于單通道低漂移傳感器的手勢(shì)識(shí)別應(yīng)用 為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的人機(jī)交互，研究團(tuán)隊(duì)基于提出的高靈敏度、低基線(xiàn)漂移應(yīng)變傳感器開(kāi)發(fā)了單通道手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)。傳感器固定在手背，通過(guò)監(jiān)測(cè)肌腱變化捕捉手勢(shì)動(dòng)作。手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)提取、信號(hào)轉(zhuǎn)換與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）預(yù)測(cè)。不同手勢(shì)過(guò)程中，阻值時(shí)間序列信號(hào)表現(xiàn)出顯著差異，并通過(guò)連續(xù)小波變換進(jìn)一步增強(qiáng)。經(jīng)60個(gè)訓(xùn)練epoch后，CNN訓(xùn)練精度達(dá)到峰值，主成分分析（PCA）結(jié)果表明手勢(shì)特征具有清晰分布，最終五類(lèi)手勢(shì)的識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到98.2%。對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，缺乏結(jié)構(gòu)優(yōu)化的傳感器信號(hào)噪聲較大，經(jīng)移動(dòng)平均濾波后準(zhǔn)確率仍?xún)H為51.3%，PCA顯示特征重疊明顯，CNN分類(lèi)失敗。相比之下，本研究提出的低漂移傳感器結(jié)合手勢(shì)識(shí)別算法，在動(dòng)作意圖識(shí)別中展現(xiàn)出優(yōu)異性能，為人機(jī)交互應(yīng)用提供了可靠支持。 總結(jié) 這項(xiàng)工作提出了一種具有雙相分層網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)定電極界面的協(xié)同結(jié)構(gòu)，以解決連續(xù)動(dòng)態(tài)應(yīng)變下基于導(dǎo)電彈性體基應(yīng)變傳感器的基線(xiàn)漂移和噪聲干擾問(wèn)題。該傳感器具有高 GF（高達(dá) 55442）、低檢出限 （<0.02%）、出色的穩(wěn)定性（>5000 次循環(huán)）和快速響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間 （52/60 ms）。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)，它可以實(shí)現(xiàn) 98.2% 的手勢(shì)識(shí)別準(zhǔn)確率。這種高靈敏度、低漂移的應(yīng)變傳感器在各種應(yīng)用中具有巨大的潛力。