柔性可穿戴應(yīng)變傳感器是未來物聯(lián)網(wǎng)不可或缺的基本核心組件之一，在健康監(jiān)測(cè)、姿態(tài)識(shí)別、工程材料機(jī)械形變監(jiān)測(cè)、人機(jī)接口以及軟體機(jī)器人等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。目前，大多數(shù)柔性可穿戴應(yīng)變傳感器將機(jī)械形變轉(zhuǎn)換為電流或電壓等電信號(hào)。這類可穿戴傳感器往往需通過復(fù)雜布線與大型設(shè)備相連，以進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和處理，導(dǎo)致高功耗、信號(hào)讀取延遲、工作范圍受限、用戶體驗(yàn)不佳，嚴(yán)重阻礙了此類可穿戴應(yīng)變傳感器的實(shí)際應(yīng)用。與傳統(tǒng)可穿戴應(yīng)變傳感器相比，柔性力致變色/力致發(fā)光應(yīng)變傳感器可將應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)化為顏色信號(hào)。智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備可通過攝像頭直接捕捉由應(yīng)變引起的顏色變化，無需復(fù)雜的布線或無線通信單元即可將信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)采集和處理模塊，可極大降低傳感器制造和使用難度與成本。通過用戶友好的智能手機(jī)應(yīng)用程序或用戶界面，可實(shí)現(xiàn)與人工智能深度學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的深度結(jié)合，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變數(shù)據(jù)的智能處理。因此，構(gòu)建具有顏色數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、處理以及顯示功能的柔性可穿戴智能比色應(yīng)變傳感系統(tǒng)具有重要意義。

An Artificial Intelligence?Assisted Flexible and Wearable Mechanoluminescent Strain Sensor System

Yan Dong*, Wenzheng An, Zihu Wang, Dongzhi Zhang* Nano-Micro Letters (2025)17: 62

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01572-5

本文亮點(diǎn)

1.構(gòu)建了一種三明治結(jié)構(gòu)的柔性可穿戴力致發(fā)光傳感器(SFLC)薄膜，其在無線可穿戴比色應(yīng)變傳感器以及加密設(shè)備方面具有巨大的應(yīng)用潛力。

2.所構(gòu)建SFLC薄膜以智能手機(jī)為媒介可與基于深度學(xué)習(xí)算法的云端人工智能數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)深度集成，通過智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備能夠快速準(zhǔn)確地解讀顏色數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為應(yīng)變值，并自動(dòng)糾正因測(cè)試環(huán)境色溫變化而產(chǎn)生的誤差。

3.基于SFLC薄膜與深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)顏色數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的智能手套可穿戴傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)快速準(zhǔn)確的手勢(shì)識(shí)別，并于智能手機(jī)終端顯示識(shí)別結(jié)果。

內(nèi)容簡(jiǎn)介

復(fù)雜的布線、龐大復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及傳感數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)快速解讀的難題，極大限制了柔性應(yīng)變傳感器作為可穿戴設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用。為解決上述問題，中國(guó)石油大學(xué)(華東)張冬至、董炎等人通過智能手機(jī)將基于深度學(xué)習(xí)的顏色數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(CDPS)與三明治結(jié)構(gòu)的柔性力致發(fā)光比色應(yīng)變傳感器(SFLC)薄膜相結(jié)合，開發(fā)了一種人工智能輔助的無線、柔性、可穿戴的力致發(fā)光比色應(yīng)變傳感器系統(tǒng)(AIFWMLS)。所構(gòu)建SFLC薄膜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，具有優(yōu)異穩(wěn)定的力致發(fā)光性能。所構(gòu)建CDPS系統(tǒng)通過智能手機(jī)可與SFLC薄膜深度集成，能夠快速準(zhǔn)確地提取并解讀SFLC薄膜的顏色，將其轉(zhuǎn)換為應(yīng)變值，并自動(dòng)校正因測(cè)試環(huán)境色溫變化而產(chǎn)生的誤差，顯著提高了應(yīng)變檢測(cè)的準(zhǔn)確性。該研究構(gòu)建了基于AIFWMLS系統(tǒng)的智能手套手勢(shì)識(shí)別傳感器，展示了該型傳感器在手勢(shì)與姿態(tài)識(shí)別領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。此外，該研究還展示了SFLC薄膜作為加密設(shè)備的應(yīng)用潛能。該研究表明，以智能手機(jī)為媒介，將基于深度學(xué)習(xí)的人工智能數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與SFLC力致發(fā)光比色傳感薄膜結(jié)合，可助力突破比色應(yīng)變傳感器“顏色到應(yīng)變值轉(zhuǎn)換”瓶頸，推動(dòng)柔性可穿戴應(yīng)變傳感器從實(shí)驗(yàn)室研究走向消費(fèi)市場(chǎng)。

圖文導(dǎo)讀

I柔性可穿戴力致發(fā)光比色應(yīng)變傳感系統(tǒng)(AIFWMLS)基本概念

本研究構(gòu)建的AIFWMLS系統(tǒng)將三明治結(jié)構(gòu)柔性力致發(fā)光應(yīng)變傳感薄膜(SFLC)通過智能手機(jī)與基于深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的顏色數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)相結(jié)合(圖1a)。SFLC薄膜底部是包含熒光材料(ZnS:Cu)的硅膠(SG)層，該材料在紫外線照射下會(huì)發(fā)出熒光。在松弛狀態(tài)下，由于頂層碳納米管(CNTs)層的屏蔽作用，薄膜顯示出非常弱的熒光。當(dāng)薄膜形變時(shí)，由于其固有的力致發(fā)光特性，以及頂層CNTs層因形變產(chǎn)生的裂紋與縫隙，導(dǎo)致可檢測(cè)到的來自ZnS:Cu-SG熒光層的熒光顯著增強(qiáng)?；诰矸e循環(huán)(CNN-GRU)深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了AIFWMLS中的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)收集顏色數(shù)據(jù)，并將顏色數(shù)據(jù)解釋為應(yīng)變值，同時(shí)自動(dòng)校正檢測(cè)環(huán)境色溫變化引起的誤差。此外，本研究構(gòu)建了基于AIFWMLS系統(tǒng)的智能手套手勢(shì)識(shí)別傳感器，可用于手勢(shì)等姿態(tài)的快速識(shí)別(圖1b)，展示了AIFWMLS系統(tǒng)的應(yīng)用潛力。

圖1. 人工智能輔助的柔性可穿戴力致發(fā)光比色應(yīng)變傳感系統(tǒng)(AIFWMLS)用于應(yīng)變感知概念圖：a AIFWMLS用于應(yīng)變感知的基本原理，深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠迅速處理不同色溫下所得顏色數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)化為應(yīng)變值，所得應(yīng)變數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度顯著提高；b用于手勢(shì)識(shí)別的AIFWMLS系統(tǒng)，可通過智能手機(jī)采集數(shù)據(jù)并顯示識(shí)別結(jié)果，右側(cè)表格顯示了AIFWMLS傳感系統(tǒng)與傳統(tǒng)可穿戴應(yīng)變傳感器的對(duì)比。

II三明治結(jié)構(gòu)柔性力致發(fā)光比色應(yīng)變傳感薄膜的構(gòu)建

SFLC薄膜由三層組成：底層為含有熒光ZnSCu-SG)，頂層為由碳納米管(CNTs)構(gòu)成的熒光屏蔽層，中間層為彈性體(PDMS)(圖2a)。圖2b展示了SFLC薄膜三明治結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡(SEM)圖。ZnS:Cu-SG層的厚度約為200微米。多孔的ZnS:Cu-SG層與致密的PDMS層無縫結(jié)合，界面清晰(圖2c)。圖2d顯示黑色CNTs均勻分布在PDMS層頂部。SFLC薄膜在拉伸狀態(tài)下的俯視圖(圖2e)顯示，CNTs沒有從變形的PDMS層上脫落，并保持均勻分布形態(tài)，證明了CNTs層與PDMS層之間的穩(wěn)定粘合。PDMS中間層提高了SFLC薄膜的機(jī)械性能。這種柔性、防水的SFLC薄膜能夠承受反復(fù)的彎曲、扭轉(zhuǎn)和拉伸(圖2a)。在經(jīng)歷500次的彎曲(圖2f)、扭轉(zhuǎn)(圖2g)或拉伸(圖2h)后，R、G、B值的百分比僅發(fā)生微小變化(≤5%)。如圖2i所示，ZnS:Cu-SG/PDMS薄膜的最大拉伸應(yīng)變超過150%，最大載荷約為6.2 kPa。圖2j展示了SFLC薄膜在不同最大應(yīng)變下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，薄膜的應(yīng)變隨拉伸力線性增加，閉合滯后環(huán)表明SFLC薄膜具有良好的恢復(fù)能力，表明在加載-卸載循環(huán)過程中具有可逆的應(yīng)變行為。經(jīng)過20次循環(huán)拉伸后，未顯示顯著的負(fù)載降低，表明SFLC薄膜具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性(圖2k)。

圖2. SFLC薄膜的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能：a SFLC薄膜的三明治結(jié)構(gòu)示意圖，以及薄膜在彎曲、扭轉(zhuǎn)和拉伸狀態(tài)下的照片(比例尺：1厘米)；SFLC薄膜SEM圖， b 展示了SFLC薄膜的三明治結(jié)構(gòu)，c展示了PDMS與ZnS:Cu-SG層之間界面，d展示了PDMS層上的碳納米管(CNTs)，e展示了拉伸狀態(tài)下頂部CNTs薄膜形態(tài)；SFLC薄膜經(jīng)過多次f彎曲、g扭轉(zhuǎn)和h拉伸后RGB值(%)的變化(n = 3，平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)；i-k 展示了SFLC薄膜的力學(xué)性能，i為ZnS:Cu-SG/PDMS薄膜的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，j為SFLC薄膜在20%至100%應(yīng)變范圍內(nèi)的加載/卸載曲線，k為SFLC薄膜在50%應(yīng)變下的加載/卸載曲線。

圖3a展示了SFLC應(yīng)變傳感器的工作原理。在紫外光照射下，SG層中的熒光ZnS:Cu發(fā)出藍(lán)綠色熒光。當(dāng)SFLC薄膜處于松弛狀態(tài)時(shí)，覆蓋在薄膜頂部的致密碳納米管(CNTs)層會(huì)屏蔽紫外光和ZnS:Cu-SG層發(fā)出的熒光。因此，檢測(cè)到的熒光非常微弱。拉伸SFLC薄膜時(shí)，由于ZnS:Cu本身的力致發(fā)光特性，其熒光強(qiáng)度增加。此外，SFLC薄膜頂部的致密CNTs層會(huì)發(fā)生裂紋和縫隙，這使得紫外光和ZnS:Cu-SG層發(fā)出的熒光能夠穿過透明的PDMS中間層以及頂部CNTs層，導(dǎo)致檢測(cè)到的熒光強(qiáng)度顯著增加。隨著應(yīng)變的增加，頂部CNTs屏蔽層上產(chǎn)生的裂紋和縫隙越來越多，檢測(cè)到的熒光強(qiáng)度也隨之增加。隨著應(yīng)變的增加，SFLC薄膜的PL信號(hào)強(qiáng)度增加(圖3b)。這導(dǎo)致從相機(jī)拍攝的SFLC薄膜照片中提取的R、G、B顏色值變化，如圖3c所示。通過建立R、G、B值百分比與SFLC薄膜應(yīng)變之間的關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)通過分析R、G、B值來量化薄膜的應(yīng)變，這為AIFWMLS應(yīng)變傳感器系統(tǒng)的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)將SFLC薄膜貼附在食指指節(jié)或膝蓋上時(shí)，隨著彎曲角度的增加，SFLC薄膜的B(%)值也會(huì)增加，且B(%)值與彎曲角度之間存在強(qiáng)相關(guān)性(圖3d和圖3e)。

圖3. 作為比色應(yīng)變傳感器的SFLC薄膜示意圖：a 力致發(fā)光應(yīng)變傳感器的傳感機(jī)制：隨著頂部碳納米管(CNTs)層裂紋的增加，SFLC薄膜的熒光強(qiáng)度隨應(yīng)變的增加而增強(qiáng)，底部為不同應(yīng)變水平下SFLC薄膜照片(比例尺：1厘米)；b SFLC傳感器薄膜的PL光譜，顯示了光致發(fā)光強(qiáng)度隨應(yīng)變的增加而增強(qiáng)；c 傳感器RGB值(%)隨應(yīng)變的變化(n = 5，平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)；d 附有SFLC應(yīng)變傳感器薄膜的彎曲手指和e彎曲膝蓋，以及在不同彎曲角度下得到的B(%)值(比例尺：1厘米)。

III人工智能輔助色彩數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的構(gòu)建 如圖4a所示，環(huán)境色溫變化可導(dǎo)致檢測(cè)所得應(yīng)變值和真實(shí)應(yīng)變值間出現(xiàn)顯著差異，該研究構(gòu)建的AIFWMLS系統(tǒng)可有效解決上述問題。通過智能手機(jī)在不同色溫下捕獲SFLC薄膜圖像并提取特征值，形成用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測(cè)試集比例為3：1：1(圖4 b)。圖4c展示了單通道CNN-GRU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)，其由單通道CNN、兩層GRU和全連接層(Dense)組成，以SFLC膜提取的特征信號(hào)作為輸入，預(yù)測(cè)應(yīng)變作為輸出。全連接層中線性函數(shù)可使模型對(duì)應(yīng)變進(jìn)行回歸預(yù)測(cè)。使用平均絕對(duì)誤差(MAE)作為模型優(yōu)化超參數(shù)，經(jīng)過300次迭代，1D-CNN-GRU、1D-CNN和1D-GRU(圖4d)模型損失值曲線均收斂，1D-CNN-GRU的損失值最小。1D-CNN-GRU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)變預(yù)測(cè)決定系數(shù)(R2)(0.998)高于1D-CNN和1D-GRU的R2值，表明1D-CNN-GRU在SFLC膜應(yīng)變預(yù)測(cè)中優(yōu)于1D-CNN和1D-GRU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。將色溫校正后的預(yù)測(cè)應(yīng)變值與不同真實(shí)應(yīng)變值進(jìn)行比較，證明CDPS系統(tǒng)顯著提高了預(yù)測(cè)應(yīng)變的準(zhǔn)確性(圖4e和圖4f)。色溫校正后，R2值從0.929增加到0.998，MSE(均方誤差)和MAE(平均絕對(duì)誤差)值分別下降到0.018和0.014。

圖4.顏色數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的構(gòu)建：a深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助下的SFLC薄膜應(yīng)變傳感概念圖，通過深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行色溫校正后，應(yīng)變預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性顯著提高(條形圖中紅線表示真實(shí)應(yīng)變值)；b用于應(yīng)變預(yù)測(cè)的深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和優(yōu)化過程算法流程圖；c 單通道CNN-GRU模型結(jié)構(gòu)圖，以SFLC薄膜中提取的特征為輸入信號(hào)，以預(yù)測(cè)的應(yīng)變值為輸出；d 1D-CNN-GRU、1D-CNN和1D-GRU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中的損失值隨訓(xùn)練輪次變化；e 未校正(黑色)和色溫校正后的應(yīng)變數(shù)據(jù)(紅色)與SFLC薄膜的真實(shí)應(yīng)變(綠線)的比較(n = 3，均值±標(biāo)準(zhǔn)差)；f CNN-GRU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)色溫自動(dòng)校正后不同色溫下獲得的預(yù)測(cè)應(yīng)變(黃點(diǎn))與真實(shí)應(yīng)變值(藍(lán)線)的比較。 IVAIFWMLS系統(tǒng)的應(yīng)用 該研究基于AIFWMLS系統(tǒng)構(gòu)建了一種用于手勢(shì)識(shí)別的智能手套可穿戴應(yīng)變傳感器。該智能手套由五片SFLC薄膜組成(圖5a)，可通過智能手機(jī)與云服務(wù)器中數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)集成。智能手機(jī)捕捉佩戴智能手套的手部圖像，不同手勢(shì)指關(guān)節(jié)彎曲角度不同，導(dǎo)致智能手套上SFLC薄膜的顏色組合不同。智能手機(jī)用戶界面將智能手套圖像上傳到云服務(wù)器，在那里，圖像由多通道CNN-GRU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理和分析，并將手勢(shì)預(yù)測(cè)結(jié)果返回到智能手機(jī)顯示界面。為解決變化色溫對(duì)手勢(shì)識(shí)別造成的影響，收集了不同色溫下佩戴智能手套的中國(guó)數(shù)字手勢(shì)數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。訓(xùn)練過程在200次迭代后完成，損失值(交叉熵?fù)p失)曲線收斂且精度達(dá)到98%(圖5b)?；煜仃囷@示了經(jīng)過訓(xùn)練的5D-CNN-GRU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能，其對(duì)11個(gè)中國(guó)數(shù)字手勢(shì)識(shí)別的整體準(zhǔn)確率為97.3%(圖5c)。對(duì)11個(gè)手勢(shì)識(shí)別的F1值均在94.5%-100%的范圍內(nèi)(圖5d)，證明了5D-CNN-GRU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在手勢(shì)識(shí)別方面的優(yōu)異性能。 SFLC薄膜的另一個(gè)潛在應(yīng)用是作為加密設(shè)備(圖5e)。使用不同顏色熒光粉與SG混合而成的油墨在底部SG層上書寫字母和字符(“UPC”和“I ”)，從而將信息編碼到SFLC薄膜中。當(dāng)SFLC薄膜處于松弛狀態(tài)時(shí)，致密CNTs層會(huì)屏蔽來自底部編碼字母和字符的黃色和藍(lán)色熒光，編碼信息無法被觀察到。拉伸時(shí)，由于頂部CNTs層出現(xiàn)裂紋和裂縫，來自編碼字母和字符的黃色和藍(lán)色熒光的透射率會(huì)顯著增加。因此，在紫外照射下拉伸SFLC薄膜會(huì)顯示編碼的字母和字符，揭示隱藏的信息。

圖5. SFLC薄膜的應(yīng)用：a使用基于SFLC薄膜的智能手套進(jìn)行手勢(shì)識(shí)別的過程；b 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中損失值和準(zhǔn)確率的變化；c 11種手勢(shì)分類的混淆矩陣；d 手勢(shì)分類模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)(F1值)；e SFLC薄膜作為加密裝置示意圖，包括SFLC加密薄膜結(jié)構(gòu)、工作原理以及加密薄膜照片，在拉伸SFLC加密薄膜后，隱藏的“UPC”和“I ”標(biāo)志可顯現(xiàn)出來。

V總結(jié)

該研究通過智能手機(jī)將深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與柔性力致發(fā)光薄膜相結(jié)合，打造了一款功能強(qiáng)大的柔性可穿戴無線無源比色應(yīng)變傳感器系統(tǒng)(AIFWMLS)，該系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地檢測(cè)應(yīng)變。本研究構(gòu)建的三明治結(jié)構(gòu)柔性力致發(fā)光薄膜SFLC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造，展現(xiàn)出優(yōu)異穩(wěn)定的力致發(fā)光性能?；谏疃葘W(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的云端智能顏色數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地從SFLC薄膜中提取顏色數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為應(yīng)變值，并自動(dòng)校正檢測(cè)環(huán)境色溫變化而產(chǎn)生的誤差?；贏IFWMLS系統(tǒng)構(gòu)建了智能手套比色應(yīng)變傳感器系統(tǒng)，展示了其在手勢(shì)與姿態(tài)識(shí)別領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。此外，多功能SFLC薄膜還可作為潛在的加密設(shè)備。該研究表明，以智能手機(jī)為媒介，將基于深度學(xué)習(xí)的人工智能數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與SFLC力致發(fā)光比色傳感薄膜相結(jié)合，可助力突破比色應(yīng)變傳感器“顏色到應(yīng)變值轉(zhuǎn)換”瓶頸，推動(dòng)柔性可穿戴應(yīng)變傳感器從實(shí)驗(yàn)室研究走向消費(fèi)市場(chǎng)。

來源：微機(jī)電系統(tǒng)與智能傳感創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)