应变式扭矩传感器

基于手势识别技术的可穿戴柔性电子设备在医疗健康、机器人技术、人机交互和人工智能等领域颇具应用前景。研制性能优异的柔性应变传感器是实现高性能可穿戴设备应用的重要基础。感器的灵敏度决定可穿戴设备的感知精度，而在过载、瞬时冲击、多次循环弯曲/扭折等条件下的机械鲁棒性将影响可穿戴设备实际应用环境条件下的长期可靠服役。截至目前，采用简单方法制备兼具高灵敏度和机械鲁棒性的柔性应变传感材料颇具挑战性。如何将基础研究所获得的高性能柔性应变传感器推广应用到人机交互系统等实际应用场景中，将会为此类器件的研发提供全新思路。 　　近期，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心薄膜与微尺度材料及力学性能研究团队，在前期柔性基体金属薄膜力学行为研究的基础上，基于柔性器件传感的力学原理，提出将裂纹类传感器的传感机制引入高机械鲁棒性蛇形曲流结构中，通过对传感层进行巧妙的高/低电阻区调控实现高灵敏度传感的学术思想，研制出灵敏度与裂纹类传感器相当(GF 1000)且机械鲁棒性优异的柔性应变传感器。该传感器在过载、冲击、水下浸泡、高/低温等严苛环境条件的作用下表现出优异的循环稳定性，稳定响应周次达10000周。同时，该传感器具有响应和回复时间快( 58 ms)、滞后性低等优势。 　　该团队将传感器进一步集成到自主设计的无线可穿戴人机交互系统中，结合机器学习、用户界面设计等技术实现了实时手语翻译功能。传感器的高灵敏度和响应速度赋予了该系统及时准确的感知能力，同时高机械鲁棒性则赋予该系统在实际应用场景中长期可靠服役的能力。该系统利用机器学习分类算法实现了对15种单一手势手语的识别和6种组合手势手语的识别(识别准确率分别达98.2%和98.9%)。系统整体的响应时间小于1s。成本低廉、质轻便携且操作简便的系统既可将手语实时翻译成语音播放，又可通过定制的用户界面实现信号曲线和翻译结果的可视化。后期可通过优化电路设计、扩展机器学习的手势或手语数据库，将该手势识别技术进一步应用于人机交互、虚拟现实、手势认证、智能传感、医疗健康等关键场景。该研究为实现柔性条件下的稳定增敏机制提供了新思路，有望促进可穿戴人机交互系统的应用和产业化发展。此外，该团队基于微小尺度材料和纳米金属层状复合材料力学行为基础研究工作的长期积累，研制出微机电系统(MEMS)用超长服役寿命的纳米复合材料，有望应用于航天、通讯、导航和新能源等领域的射频MEMS上。 　　上述柔性应变传感手语识别系统的研究成果，以Ultra-Robust and Sensitive Flexible Strain Sensor for Real-Time and Wearable Sign Language Translation为题，在线发表在Advanced Functional Materials上。研究工作得到国家自然科学基金、金属所“引进优秀学者”项目、沈阳材料科学国家研究中心青年人才和基础前沿及共性关键技术创新项目的支持。东北大学科研人员参与研究。图1.柔性应变传感器的设计和制备。a、蛇形曲流结构的传感机制；b、传感单元在表面切应力作用下的位移云图；c、传感单元在不同表面切应力作用下相邻曲流条纹的间隙沿传感器宽度方向分布曲线；d、相邻曲流条纹的接触区域长度随应变的变化曲线；e、传感器制备流程示意图。图2.柔性应变传感器的传感性能。a、高/低电阻区调控前的响应曲线；b、高/低电阻区调控后的响应曲线；c、在不同峰值应变下的循环响应曲线，极限检测应变；d、响应和回复时间。图3.柔性应变传感器的机械鲁棒性。a、循环稳定性；b、最大可承受应变；c-e：对严苛环境的耐受力。图4.可穿戴手语翻译系统。a、应用场景示意图；b、系统框架；c、手语手套；d、无线电路板；e、用户界面。图5.手语识别验证。a、6种由复合手势组成的手语；b、手语翻译系统对6种手语的识别准确率；e、手语翻译系统的各项性能汇总。

在快速发展的饮品行业中，瓶盖扭矩的精准控制对于保障产品质量和消费者体验至关重要。传统的手动扭矩测试方法不仅效率低下，而且难以保证测试结果的准确性和一致性。因此，全自动饮料瓶防盗瓶盖扭矩测试仪的出现，无疑为行业带来了一场跨越性的升级。相较于传统的手动扭矩测试方法，全自动饮料瓶防盗瓶盖扭矩测试仪具有以下显著优势：提高效率：自动化测试仪可以连续不断地进行测试，无需等待手动操作的间隔时间，显著提高了测试效率。准确性：全自动测试仪通过精密的传感器和控制系统来施加和测量扭矩，减少了人为操作的误差，确保了测试结果的准确性和可重复性。数据记录与分析：全自动测试仪通常配备有数据记录功能，能够自动记录每次测试的结果，便于后续的数据分析和质量控制。减少人力成本：自动化设备减少了对操作人员的依赖，降低了人力成本，特别是在大规模生产和测试中，这一优势尤为明显。标准化测试：全自动测试仪按照预设的程序和标准进行测试，保证了测试过程的一致性，避免了手动测试中可能出现的主观判断和操作差异。提高安全性：自动化设备减少了操作人员与测试样品的直接接触，降低了工伤的风险。易于操作：全自动测试仪通常配备有用户友好的操作界面，简化了操作流程，使得即使是非专业人员也能轻松进行测试。扩展功能：一些全自动测试仪还具备扩展功能，如与计算机连接进行更复杂的数据分析，或者与其他生产线自动化设备集成，实现更高效的生产流程。环境适应性：自动化设备通常设计得更加坚固耐用，能够适应不同的生产环境和条件。维护简便：虽然全自动测试仪的初始投资可能较高，但长期来看，由于减少了人为操作和提高了测试效率，维护成本相对较低。综上所述，全自动饮料瓶防盗瓶盖扭矩测试仪通过其自动化、高精度、易于操作和数据分析等优势，为饮料瓶盖扭矩测试提供了一种高效、可靠的解决方案，有助于提高产品质量和生产效率。

近日，广东省科学院化工研究所研究员曾炜团队在国家自然科学基金项目等的资助下，在双应变-温度传感器性能研究方面取得新进展。相关研究发表于Composites Part A。张静斐为该论文第一作者，曾炜为通讯作者。 　　在目前的双应变-温度传感器研究中，一般是将应变/温度敏感的导电材料，如金纳米粒子、氧化石墨烯和碳纳米管等引入弹性体或水凝胶来实现的。由于弹性体的伸展性差和导电材料的不透明性限制了其在大应变和可视化设备中的应用。而离子导电水凝胶具有透明度高、柔韧性好的优点，可以实现基于三维网络离子传输的同时，利用其电导率随应变和温度的变化而实现应变-温度双重传感，为传感器的多功能化提供了广阔应用前景。 　　研究人员通过自由基聚合，在氯化锂和甘油的存在下，制备了具有良好应变和温度敏感性的可拉伸离子导电性水凝胶。氯化锂的强离子水化作用和水分子、甘油形成强氢键协同作用从而抑制了冰晶的生成，使水凝胶具有优异的抗冻能力，能在-30 ℃~ 80 ℃的较宽温度范围内检测温度的变化。该水凝胶在36.5~40 ℃范围内的温度灵敏度为5.51 %/℃，检测限为0.2 ℃，并具有良好的升温-降温循环稳定性。 　　此外，水凝胶传感器在2000%的宽应变范围内具有良好的线性，可以达到17.3的高灵敏度，并具有低至1%的检测下限。利用该方法制备的应变-温度双重刺激响应水凝胶，在人体运动监测、发热检测等可穿戴设备中具有很大的应用潜力。