济南大学李阳/北理工沈国震团队 AFM：集压力传感和可视化于一体的可穿戴交互设备

2022-08-16 来源：高分子科技

只有电子读数的可穿戴压力感知设备需要有线连接或笨重的设备才能转换为人类可识别的形式。在设备的传感过程中结合肉眼可观察到的原位显示被认为是一种有效的解决方法，可以同时实现压力的定量分析和直接可视化，极大地增强了信息交互性。而由物理连接的独立压力传感器和显示元件实现的交互式设备需要多层的复杂结构，很难顺应小型化、高集成度的发展趋势。

图1 受章鱼启发的可穿戴集成设备及其应用的示意图

经过数百万年的进化，自然界中的各种动物逐渐形成了适应生存环境的独特功能和有趣习性。作为一种神奇的海洋生物，章鱼具有类似于人类皮肤的精密压力感应能力，同时还能够通过控制色素细胞的形态来改变其皮肤颜色。受这种“二合一”特性的启发，济南大学李阳和北京理工大学沈国震教授团队提出了一种集压力感知和可视化于一体的可穿戴交互式设备（图1）。仅靠单一设备就实现了在将压力转换为电容信号以准确响应刺激的同时，还能通过电致变色效应产生可见的颜色变化。通过有效的分区设置和功能层的重复使用，大大简化设备结构并提高了集成度。利用光固化3D打印微结构模板和磁控溅射致密电致变色层，该设备在压力传感和变色显示方面表现出优异而稳定的性能。研究团队证明了该可穿戴设备可以交互式感知压力的大小和位置、受压物体的形状以及手指的弯曲状态，并且能以颜色变化的特性将压力信息保持一定的时间（图2）。进一步结合微控制器后，实现了压力调节下不同视觉信息的隐藏与显示。使用自制的离子凝胶毛笔，能在柔性板上进行任意图案的重复书写和擦除等功能（图3）。最后，开发了一个定制化的可穿戴智能眼镜系统，用于对人体生理参数进行原位测量、视觉预警和远程无线监测（图4）。该工作为压力传感和变色可视化的二合一混合设备的开发提供了一种新的可行策略，展现了在医疗健康、人机界面和公共设施安全领域的应用潜力。

图2 (a)交互式设备在施加不同物体的压力和(b)手指弯曲下的电容响应和对应的可视化状态；(c) 设备在移除施加压力后的颜色保持特性

图3 交互式设备与ESP32 MCU集成后用于视觉信息的隐藏和显示

图4 可穿戴智能眼镜系统用于实时监测生理参数与过程中的变色预警提示

相关研究成果以“Wearable Hybrid Device Capable of Interactive Perception with Pressure Sensing and Visualization”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。济南大学硕士生郭云建、李浩为本文共同第一作者，济南大学李阳教授和北京理工大学沈国震教授为共同通讯作者。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202203585

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（责任编辑：xu）

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