安徽建筑大學：研究碳納米管/聚氨酯海綿壓力傳感器的創新應用

柔性壓力傳感器在人機交互、運動檢測和手勢識別等多個領域都非常重要。本文，安徽建筑大學Yang Song等研究人員在《ACS Appl. Electron. Mater.》期刊發表名為“Wearable and Cost-Effective Pressure Sensor Based on a Carbon Nanotube/Polyurethane Sponge for Motion Detection and Gesture Recognition"的論文，研究利用碳納米管和聚氨酯海綿的復合材料開發了一種壓阻式壓力傳感器。傳感器是通過浸漬干燥法制造的，這種方法可使碳納米管（CNT）附著在聚氨酯海綿（PUS）的骨架上。所獲得的傳感器具有以下優異特性：靈敏度高（2.7% kPa-1）、響應迅速（響應/恢復時間分別為 60/100 ms）、長期穩定性好（在加載/卸載循環過程中以 0.1 Hz 頻率在 18,000 秒內保持 0-100 kPa 范圍內的一致響應信號）。

結果表明，傳感器可以有效捕捉這些不同的信號，從而區分不同的運動狀態。此外，該傳感器還能通過有規律的按壓準確傳遞 26 個英文字母和 10 個阿拉伯數字的摩爾斯電碼。最后，利用傳感器制作了一個感知手套，用于表達阿拉伯數字 0-9 的手勢。基于 Inception 網絡的深度學習算法實現了 10 種手勢的高準確率（99.5%）手勢識別。這項工作為生產柔性壓力傳感器提供了一種成本效益高且簡單的方法，可用于各種應用，包括人體運動檢測、可穿戴設備、手勢識別和人機交互。

總之，通過低成本的浸漬干燥法制備了CNT/PUS，將 CNT 粘附在 PUS 的骨架結構上形成敏感層，從而生產出夾層型壓阻壓力傳感器。該傳感器具有出色的靈敏度（在 15 kPa 范圍內，S 值為 2.7% kPa-1）、快速響應/恢復時間（60/100 ms）、較小的滯后（10.75%）和強大的循環穩定性（0-100 kPa 范圍內為 18,000 s，工作頻率為 0.1 Hz）。因此，該傳感器易于制造，價格低廉，可實現大規模生產和潛在應用。當 CNT/PUS 傳感器位于人體的不同部位（如指尖、手指、手腕、肘部、膝部和足部）時，能夠檢測到各種人體運動信號。

此外，該傳感器還可以通過有規律的按壓來傳遞摩爾斯電碼信息，是一種理想的信息傳播設備。最后，通過膠帶將五個傳感器粘貼在每個手指的近節上，制作了一個傳感手套。該手套可檢測不同手指的屈伸信號。為了創建手勢樣本數據集，我們收集了 1000 個樣本，并使用最小-歸一化方法對原始數據進行了預處理。基于該數據集，我們構建了 Inception Network、LeNet、決策樹和 k-nearest neighbor 模型來對阿拉伯數字 0-9手勢進行分類。Inception Network 模型的平均準確率達到 99.5%。這些實驗結果表明，該傳感器非常適合用于檢測人體運動、傳輸信息、識別手勢以及其他潛在應用。

來源：傳感器專家網