由碳纳米纤维启用的柔性应变传感器可以读唇语

得益于使用复合材料的创新制造技术，可穿戴、灵活的应变传感器可以实时、高精度地监测人体皮肤的微小振动。高灵敏度和宽工作范围是高质量应变传感器的关键参数，但由于结构和导电性的限制，很难在同一传感器上同时获得这两种特性。

在最近的一项研究中，清华大学的研究人员首次推出了一种柔性应变传感器设计，其薄膜由平行且随机排列的碳纳米纤维(CNF)制成，可实现高灵敏度和宽应变检测范围。

该研究发表在《纳米研究》杂志上。

柔性应变传感器在健康和活动监测、智能纺织品和人机交互方面都有应用。清华大学研究团队为唇语识别系统设计了一种柔性应变传感器，可以帮助声带受损的人进行日常交流。

“唇语识别系统可以直接快速地为声带受损的人翻译句子，”清华大学的第一作者彭毕说。“这大大减少了日常交流中的障碍。”

为此，灵活的传感器需要能够从面部肌肉的大幅运动中收集信息，同时还能区分更细微的变化。“满足这一要求的唯一方法是制备一种兼具高灵敏度和宽应变检测范围的柔性应变传感器，”毕说。

与由刚性、笨重的金属制成的传统传感器不同，柔性传感器可以移动并贴合人体皮肤而不会引起不适。这类传感器通常由弹性聚合物与导电材料(例如石墨烯、碳纳米管、金属纳米粒子、金属纳米线或液态金属)结合制成，这使得它们可以集成到衣服中或直接粘附在人体皮肤上。

到目前为止，大多数报道的可穿戴应变传感器要么显示出较大的可用应变范围，要么显示出高灵敏度，但并非两者兼而有之。根据材料的不同，具有较大应变检测范围的应变传感器可以弯曲或拉伸超过400%。然而，应变检测范围大的传感器通常表现出较低的应变系数值，这是灵敏度的指标，指的是检测皮肤下微小振动的能力有限。

这两个有利特性似乎是相互排斥的：为了实现高灵敏度，微结构传感层的电导率需要在检测到振动时发生显着变化。相反，要实现宽传感范围，传感层应连续导电，即使在大拉伸应变下也是如此。因此，具有宽应变检测范围的高灵敏度似乎遥不可及，特别是对于由单一导电介质组成的传感器。

Bi和清华大学团队设计了一个策略来同时实现这两个所需的功能。

当膜的碳纳米纤维平行排列时(p-CNF)，膜表现出低应变检测极限和高灵敏度，而随机排列的CNF(r-CNF)膜表现出更宽的应变检测范围。通过堆叠平行且随机排列的碳纳米纤维膜，研究人员实现了一种具有高灵敏度和宽应变检测范围的柔性应变传感器。

“值得注意的是，所获得的基于p/r-CNF的应变传感器显示出低至0.005%的应变检测极限和高达1272的超高应变系数值(对于低于0.5%的应变)，”Bi说。“同时，它的最大应变检测限为100%，满足了大多数人体运动的检测要求。”

该团队证明，该传感器可以准确区分关节弯曲等大动作，还可以检测面部表情、眼睛转动、脉搏和说话等小动作。

作为概念验证，他们通过集成p/r-CNF应变传感器、Arduino和扬声器开发了智能唇语识别系统。该系统可以“读唇语”，通过解读唇部动作正确跟踪音标，然后执行相应的指令，如输出灯光或音频信号。

“识别系统有可能帮助有语言障碍的人，证明这种应变传感器在健康管理和医疗援助方面的潜力，”毕说。

目前，唇语识别系统只能应对有限的交流场景和地点。

“我们将构建唇语识别系统的应用场景，提高佩戴的舒适性和便携性，”毕说。“我们希望这样的可穿戴设备能够成为声带损伤患者的第二张嘴，减轻这种损伤对人们日常生活的影响。”

p/r-CNF应变传感器的双对准结构设计也可以应用于其他高性能传感器的设计。