研究背景

随着社会数字化和工业化的不断发展，人机界面(HM)、软体机器人、可穿戴电子设备等已经引起了越来越多的关注。尤其是在COVID-19肆虐全球的时候，如何通过安全的HMI来预防，已经成为一个需要解决的问题。然而，传统的人机界面主要是通过人类的直接触摸，借助单一功能的压力传感器来完成的。虽然压力模式非常准确地传达了用户的意图，但它无法对接近的物体做出反应，这大大限制了应用的范围。例如，机器人无法检测到黑暗中的物体并采取早期行动。此外，它还导致病毒容易在人与人之间传播。因此，需要更多的非接触互动。最近，接近传感器已经逐渐被用于可穿戴设备和机器人中，因为它们能够在没有物理接触的情况下检测出反应。尽管非接触式传感器的机制主要包括磁感应、红外光等，但基于电容测量的接近传感器提供了一种更方便和廉价的方式。随着应用场景的扩大，越来越多的设备需要同时检测接触性物理刺激和非接触方式。因此，找到一种简单有效的方法，将电容式压力和接近感应功能结合在一个设备中，可以大大丰富设备的功能。

在将压力和接近传感器集成到表皮电子器件中时，灵活性和可拉伸性是提高产品寿命和确保其佩戴舒适性的关键因素。除了拉伸性，透明性也是实现下一代电子设备的重要特性，包括电致发光皮肤、新能源设备等。此外，对于多功能传感器来说，一个关键的方面是要实现接近和压力的同步检测和区分。许多以前的文章只提到他们的设备可以同时检测接近和压力,而没有提到如何在压力感应模式下避免接近引起的反应。因此，制备一个能在大应变下正常工作的双模传感器，并实现无干扰、高透明度和高弹性的接近和压力的同时检测，仍然是一个挑战。

研究成果

传统的仅用压力传感器进行交流的人机互动模式需要修改，尤其是在COVID-19在全球流通的时候。在此，中山大学吴进教授团队通过使用聚丙烯酰胺-海藻酸双网水凝胶，制造了一种透明、可拉伸、有弹性和高性能的水凝胶纤维基双模传感器，它具有高灵敏度(3.17% cm^-1)、宽工作范围(18 cm)、快速响应/恢复速度(90/90 ms)和接近感应的良好稳定性，以及令人印象深刻的压力感应性能，包括高灵敏度(0.91 kPa^-1)、短响应/恢复时间(40/40 ms)、 低检测限(63 Pa)和良好的线性度。此外，测量了接近/压力模式之间的响应切换，并实现了无干扰的双模式检测。值得注意的是，可拉伸的双模传感器能够在100%的拉伸应变下工作而不降低传感性能。具体来说，接近传感器显示出对应变的良好免疫力，而压力灵敏度甚至得到了提升。此外，该传感器足够坚韧，在被刀子刺穿和被扳手敲打后仍能正常工作。值得注意的是，该传感器可用于手势识别和微妙的压力检测，如小水滴(10 毫克)、手腕脉搏等。一个3x3的阵列被进一步显示为精确的空间感应和位置识别，验证了其实际应用的可行性。相关研究以“Ultrastretchable, High-performance, and Crosstalk-free Proximity and Pressure Bimodal Sensor Based on Ionic Hydrogel Fibers for Human-Machine Interfaces”为题发表在Materials Horizons期刊上。

图文导读

Figure 1. a) Schematic diagram of the capacitive fiber-based bimodal sensor, which can work at both proximity and pressure modes. b) The preparation method of the anti-drying and tough hydrogel fiber. c) The fabrication process of the bimodal sensor. d) Photographs of the hydrogel fiber at 0% and 1400% tensile strains, respectively. e) Stress-strain curve of the hydrogel fiber. f) Photograph of the transparent sensor placed on a printed badge of SYSU as background.

Figure 2. Proximity sensing performance and the gesture recognition of the bimodal capacitive sensor.

Figure 3. The pressure sensing performance of the bimodal capacitive sensor.

Figure 4. Practical applications of the pressure sensor.

Figure 5. Crosstalk-free Sensing of Proximity/Pressure.

Figure 6. The proximity/pressure sensing under tensile strain and after damage. 

总结与展望

总之，作者成功地制备了一种可拉伸的、无串扰的、有弹性的和透明的基于水凝胶纤维的双模传感器，该传感器是通过模板与简易的浸渍策略合成的。该双模传感器显示出优异的接近感应能力，包括高灵敏度(3.17% cm^-1)、 宽工作范围(18 cm)、快速响应/恢复速度(90/90ms)和良好的稳定性。这些令人印象深刻的性能赋予了它辨别手指号码和不同手势的能力。此外，作为一个压力传感器，它提供了高灵敏度(0.91 kPa^-1)、快速响应/恢复速度(40/40 ms)、低检测极限(63 Pa)，以及由于水凝胶和电介质层的弹性而具有的良好线性。因此，该可穿戴式传感器可以通过直接附着在人体皮肤上，对各种生理特征进行详细和高精度的监测，如手腕脉搏、发声和吞咽，显示出以无创方式检测一些生理状况如吞咽困难和心血管疾病的巨大潜力。同时，传感器单元可用于传感器阵列，可实现精确的空间感应、压力测绘和位置识别。此外，除了通过检测电容响应曲线对接近和压力的转折点来了解电流模式外，该传感器还成功实现了无串扰和接近/压力的多功能感应。由于水凝胶纤维具有良好的可变形性，双模传感器能够在100%的应变下工作而不降低传感性能。接近传感器对施加的应变有很好的不敏感性，而压力敏感性甚至得到了提高。此外，由于Ecoflex的高弹性，双模传感器被赋予了对外部损伤的良好耐受性，使其在刀和扳手的损伤后仍能正常工作。这种超灵敏、坚韧的双模传感器，即使在高度拉伸的状态下，也能充分展现出准确的接近/压力检测的诱人优势，可以成为可穿戴电子设备、物联网、软体机器人和人机界面系统领域的理想选择。

文献链接

Ultrastretchable, High-performance, and Crosstalk-free Proximity and Pressure Bimodal Sensor Based on Ionic Hydrogel Fibers for Human-Machine Interfaces, Mater. Horiz., 2022, DOI: 10.1039/D2MH00281G.