山东科大陈达/刘一剑团队Small：等离子体诱导皱纹-裂纹双结构实现动态运动感知中稳健的定向应变传感

1、研究背景

应变传感器的灵敏度和稳定性表现为矛盾关系。裂纹结构的引入虽然是提高应变传感器灵敏度的一种可行方法，但在耐久性和定向检测能力方面仍然存在局限性。可拉伸基于裂纹的应变传感器在长期高负载条件下的响应不稳定性严重限制了它们的实际应用。因此，在保持高灵敏度的同时，找到一种有效的方法，以提高基于裂纹的应变传感器的耐久性，抑制裂纹在不同拉伸方向上的扩展，从而增强传感器检测应变方向的能力至关重要。

2、研究内容

灵活的多方向传感器在复杂的应用场景中具有巨大的潜力，然而制备能够灵活检测多方向应变的灵敏、稳定和线性应变传感器仍然是一个重大挑战。本文介绍了一种等离子体诱导的褶皱—裂纹双重结构，用于高可靠性柔性应变传感器的多向力检测。通过组合预拉伸和氧化等离子体轰击，多层结构表现出薄膜应力工程，在弹性体表面上建立变化的弹性模量。刚性氧化硅硬化层在预拉伸界面处引起剪切膜应力。由于导电网络的褶皱，从预拉伸释放时会产生周期性褶皱，这不仅抑制了裂纹扩展，而且显著增强了信号和施加的力之间的线性度。通过在等离子体处理下调整预拉伸的方向，可以有效地控制导电敏感层上褶皱的形态和取向。共存的平行褶皱和垂直裂纹结构赋予了各向异性特性，显著提高了传感器的定向检测能力。这款传感器具有高应变系数(GF = 454)、出色的循环耐久性(超过100 000次循环)和多方向力检测能力，在可穿戴电子设备和机器人运动检测中展现出良好的应用前景，是下一代柔性应变传感器。

相关研究以“Plasma-Induced Wrinkle-Crack Dual Structure for Robust Directional Strain Sensing in Dynamic Motion Perception”为题发表在Small期刊上。山东科技大学曲荃麟为第一作者，陈达教授和刘一剑副教授为共同通讯作者。

3、文章亮点

（1）通过预拉伸和氧等离子体处理，制备了一种具有裂纹和定向褶皱共存的电阻式柔性应变传感器。褶皱的引入有效地抑制了裂纹尖端的扩展，消除了在裂纹传感器中常见的随机裂纹扩展的影响。

（2）通过褶皱与裂纹结构的协同作用，传感器展现出优异的各向异性，增强了传感器检测方向力的能力，采用机器学习算法(SVM)对8个方向类别(0°-315°)进行分类，识别率高达94.5%。

（3）基于本文传感器具有高灵敏度、高耐久和良好的方向识别特性，设计了由采集板、蓝牙通信模块和机器学习组成的信号采集系统，可实时监测人体和机械狗运动状态。并且基于该传感器的智能手套系统通过卷积神经网络(CNN)实现了15种手势识别分类。

4、图文解析

（2）微观性能测试与分析：实验结果表明，增加等离子体处理时间和功率参数显著抑制了CNT网络的电导。机理分析表明，这种现象源于由CNTs的结构蚀刻和表面官能团的同时形成引起的双重效应。通过纳米压痕测试验证传感器表面产生硬质氧化硅层，通过XRD、XPS、TEM测试，对纳米材料CNTs的性能及结构改变进行分析。

（3）宏观结构变化与电路模型：对基于褶皱的裂纹传感器在几个应变状态(0%、20%、50%、60%)下进行原位测试，其结构变化过程分为褶皱展平、裂纹产生和裂纹扩展阶段，并根据结构变化绘制相应的电路模型。

（4）传感器性能测试与分析：对传感器的性能进行测试，结果显示基于横向褶皱的裂纹传感器在灵敏度再325% - 500%可达454；在 1%的微小形变下，该传感器响应时间和恢复时间分别为200ms和125ms；在不同应变范围和不同应变速度的拉伸循环测试中均表现出良好的稳定性；在100%应变下进行100,000次拉伸释放循环，总体相对电阻变化基本保持一致，没有基线漂移现象。

（5）基于褶皱的裂纹传感器各向异性放大研究：基于褶皱—裂纹结构在非主应变方向上的信号抑制作用降低了阵列中各传感单元间的信号串扰，从而提高了方向识别的准确性。基于褶皱的裂纹传感阵列在间隔45°(0°-315°)的8个方向进行检测识别。结合机器学习算法，该传感阵列对8个方向类别的识别准确率达到 94.5%。

（6）智能手套应用：为了进一步探索基于褶皱的裂纹传感器在可穿戴技术中的潜力，开发了一种装备多个传感器的智能手套系统，用于手势识别。五个传感器连接在手套手指关节处，一个定向力感应盘被贴在手腕上，形成一个集成的传感器阵列的智能手套。传感器阵列采集的数据通过蓝牙模块传输到计算机，通过 CNN 卷积神经网络实现了 15 种手势识别分类，识别准确率为 84%，并且通过手势识别实现了对游戏的实时控制。

（7）智能手套应用：基于机械狗运动进程，设计一个数据采集系统，将四个传感器分别贴敷在机械狗四肢的髋关节处，通过柔性导线与背部集成的定制化 PCB 数据采集模块连接，采集板将采集到的电压信号通过蓝牙实时发送到电脑端实现无线数据传输。为了评估传感器阵列的方向敏感性能，将其连接到机器狗后肢的髋关节上，并测试了五种不同的运动，每个动作进行五次，信号模式清晰可辨。

文章链接：Plasma‐Induced Wrinkle‐Crack Dual Structure for Robust Directional Strain Sensing in Dynamic Motion Perception

DOI:https://doi.org/10.1002/smll.202411085

撰稿：作者团队

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