圖1 柔性離子凝膠濕度傳感器陣列的制備和應(yīng)用示意圖

本文報(bào)道了一種柔性的離子凝膠基濕度傳感器陣列，它能夠在人工智能技術(shù)的輔助下識別空間濕度場分布，用于精確的呼吸特征識別和非接觸式手勢分類，設(shè)計(jì)的非接觸式人機(jī)交互系統(tǒng)還可用于遠(yuǎn)程控制藥物輸送車輛。陣列的傳感層是由離子液體和聚合物網(wǎng)絡(luò)通過離子-偶極相互作用交聯(lián)形成的疏水離子凝膠（圖1b）。

圖2 離子凝膠的表征、傳感單元的性能調(diào)控，以及旋涂陣列法制備的傳感器與分批次制備的傳感器的均一性對比。對離子凝膠微觀形貌、熱穩(wěn)定性和可控的厚度等性能進(jìn)行了表征。為了獲得最佳的傳感器性能和相應(yīng)的制備工藝，探究了交流電壓的頻率、電極間距、離子凝膠傳感層厚度等對傳感器性能的影響規(guī)律。

圖3 離子凝膠的傳感機(jī)理；離子凝膠的快響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間、長壽命、低遲滯、抗彎曲和寬工作溫度等特性；離子凝膠濕度傳感器與其他濕敏材料傳感器性能對比。

使用電化學(xué)工作站對傳感器進(jìn)行了系統(tǒng)的電化學(xué)阻抗譜分析。在不同濕度水平下，復(fù)阻抗譜呈現(xiàn)出相同的高頻區(qū)半圓特征和低頻區(qū)線性特征。結(jié)果說明離子凝膠濕度傳感器的傳感機(jī)制不僅涉及離子凝膠的固有阻抗、離子擴(kuò)散動力學(xué)，還與電極-離子凝膠界面的電荷轉(zhuǎn)移過程有關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明傳感器的性能在超過120天時(shí)仍保持不變，具有循環(huán)穩(wěn)定性，低于6%的滯后性，彎曲150° 仍可正常工作的抗彎曲性，高達(dá)60 ℃仍可識別不同相對濕度的寬工作溫度范圍。

圖4 離子凝膠濕度傳感器的呼吸監(jiān)測及呼吸模式識別能力

由于離子凝膠濕度傳感器具有良好的濕度傳感能力，是呼吸監(jiān)測和非接觸式人機(jī)交互的良好選擇。對于呼吸監(jiān)測，使用單個(gè)離子凝膠濕度傳感器結(jié)合口罩設(shè)計(jì)了可穿戴的呼吸監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)，可以在手機(jī)端實(shí)時(shí)顯示受試者的呼吸狀態(tài)，并且具備呼吸中斷超過一定時(shí)間的報(bào)警功能。此外，還使用傳感器陣列與口罩結(jié)合，通過深度學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)了不同呼吸模式（口呼吸、鼻呼吸、單側(cè)鼻堵塞）的識別，這是單個(gè)傳感器無法做到的。值得注意的是，對于呼出氣體的濕度場識別準(zhǔn)確率，與陣列的通道數(shù)息息相關(guān)，通道數(shù)越多，識別準(zhǔn)確率越高。

圖5 離子凝膠濕度傳感器的非接觸式人機(jī)交互及手勢識別能力

人類手指表面是高于空氣相對濕度的穩(wěn)定濕度源。當(dāng)手指靠近傳感器表面時(shí)，傳感器的電導(dǎo)增加；當(dāng)手指遠(yuǎn)離傳感器表面時(shí)，電導(dǎo)迅速減小。結(jié)果證實(shí)離子凝膠濕度傳感器具備作為非接觸式人機(jī)交互界面的能力。陣列不僅可以有效識別手指滑動引起的濕度場變化，基于陣列的非接觸式人機(jī)交互系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了不同手指滑動軌跡控制藍(lán)牙小車運(yùn)動。此外，良好的手勢識別結(jié)果證明，濕度傳感器陣列可以準(zhǔn)確的捕捉到空間上濕度場分布的不同。

總結(jié)：作者采用將離子凝膠旋涂于印刷有叉指電極陣列和隔離模板的柔性聚酰亞胺襯底上，實(shí)現(xiàn)了傳感器的低成本、可擴(kuò)展、均一化制備。陣列化制備的傳感單元之間的性能均一性相對于分批次制備的傳感器好了9倍。此外還通過優(yōu)化電極間距和傳感層厚度提高了傳感單元的濕度響應(yīng)性能。同時(shí)，這種方法制備的傳感單元以及傳感陣列可以應(yīng)用于準(zhǔn)確的非接觸式人機(jī)交互界面、人體精細(xì)的呼吸監(jiān)測和模式識別以及非接觸式手勢識別。

審核編輯 黃宇