第一作者：Jing Liu
通讯作者：Zhenlong Huang，Yuan Lin
通讯单位：中国电子科学技术大学
https://doi.org/10.1002/adfm.202527083
背景介绍
可伸缩应变传感器在监测人体运动中起着重要作用，并已被广泛应用于人机界面（HMI）系统中。传统的平面制造传感器附着在曲面上，常因配合性差而制造效率低且测量精度降低。本研究提出了一种基于激光直接写入的方法，用于在复杂曲面可伸缩基底上直接制造双层应变传感器阵列、互连器和电极。最终应变传感器在80%应变时具有高10⁶的规范因子，最低可检测应变低至0.1%，从而实现0°至90°弯曲范围内对关节运动的精确监测。此外，调校材料成分和结构设计可实现对传感器机电响应的精确控制，以适应各种HMI应用。作为演示，集成应变传感器和互连阵列的HMI直接制造在手套的三维表面上。该系统使机械手能够准确模拟多种人类手势，彰显了其在先进人机交互中的潜力。
研究亮点
1.原位制造，无需转移
采用激光直写与化学镀铜技术，直接在手套等复杂曲面上制作传感器阵列与导线，避免了传统平面传感器贴合曲面时的附着力差、信号失真问题。
📊 关键成果：
6通道 ≈ 32通道：使用6通道EMG设备，在美式手语识别和步态预测任务中，性能媲美传统32通道设备。
自学习能力强：通过“掩码训练”方式，模型学会从部分信号中重建完整肌肉活动图。
适用多场景：不仅可用于手势识别（如手语翻译），还能预测步态动力学（如行走时的关节受力）。
2.双层结构，超高灵敏度
传感器由表面铜裂纹层与底层碳纳米管网络构成双层结构，应变时铜层开裂导致电阻剧增，实现高达 106106 的应变系数，最小可检测应变低至 0.1%。
3.性能可调，适应多样场景
通过调节碳纳米管浓度和基底厚度，可灵活控制传感器的灵敏度与响应范围，适应不同关节的运动监测需求。
4.集成化手势识别系统
在手套上集成13个应变传感器，对应人手的13个关节自由度，可实时、精准地捕捉手势变化，并无线控制机械手进行同步动作。
🌍 应用前景：
该技术可应用于医疗康复、远程操控、虚拟现实、可穿戴健康监测等领域，为人机交互提供高精度、高舒适度的解决方案。
一句话总结：
用激光在手套上“画”出传感器，实时捕捉手势，让机械手同步跟随——这就是未来可穿戴人机交互的新可能。
图文解析
可伸缩HMI的设计与制造。a） 用于机器人控制的可伸缩HMI示意图。b）可伸缩HMI的示意图，采用弹性手形结构;c）利用激光直接书写技术制造可伸缩HMI，实现应变传感器、互连和电极的无缝集成。d） 应变传感器基板蚀刻和未蚀刻区域的SEM图像，以及基底表面Sn和Sb的元素映射。蚀刻后，粗糙区域的ATO更有利于铜的沉积。e）激光蚀刻和无电铜镀层后，可伸缩HMI的光学图像。互连体采用蛇形结构设计，具有增强的抗拉能力。f）用于远程控制机械手的可伸缩HMI光学图像。
可伸缩双层应变传感器的性能。a）双层应变传感器结构的SEM图像，其中上层为铜层，下层为PDMS/ATO/MWCNT混合基板。b）双层应变传感器在拉伸状态下的光学图像及铜裂纹的放大光学图像。c） 应变传感器在应变中的响应曲线范围为0至80%，规范因子最高为106.d） 应变传感器在加载（25毫秒）和卸载（30毫秒）阶段的响应速度曲线。e） 应变传感器在最小应变（0.1%）下的响应曲线。f）应变传感器在25%应变下接受1000次循环拉伸测试时的响应曲线。插图：部分信号的放大视图。g）应变传感器在0%、30%、60%和90%拉伸应变下的梯度拉伸和释放过程中的响应曲线。h） 应变传感器在梯度循环张力过程中的响应曲线，应变范围为15%至60%。
应变传感器的性能调制。a）可伸缩铜-多层碳纳米管应变传感器结构的示意图，表面有铜裂纹。b）掺杂在基底中的多动碳纳米管的SEM图像。c）采用不同PDMS/ATO/MWC碳纳米管基底厚度（2、3、4毫米）的应变传感器的光学图像。d） 在相同弯曲角度下，不同多动纳米胶管掺杂浓度（3%、3.5%、重量4%）的性能比较。多分子碳纳米管浓度较低，反应更敏感。e） 应变传感器在15°、30°和45°弯角下的性能比较。f）应变传感器在弯曲角下0°至90°的响应曲线。g） 不同基底厚度（2、3、4 mm）应变传感器的性能比较。较薄的基底会引发更敏感的反应。h） 应变传感器在15°、30°和45°弯角下的性能比较。i）应变传感器在弯曲角下0°至90°的响应曲线。
在曲面上安装应变传感器用于人机界面。a）应变传感器位置分布的示意图。共有13个应变传感器分布在手指的DIP、PIP和MCP关节。b）光学图像，应变传感器和可伸缩HMI上的互连细节。c）应变传感器和互连体厚度的示意图和SEM图像。d）应变传感器在0°到90°弯曲角度下不同位置的响应曲线;插图：应变传感器测量位置的示意图。e） PIP处应变传感器在从0°拉伸到15°，再拉伸到30°，最终拉伸到90°时的响应曲线。f）在不同频率（4、2、1、0.5 Hz）下，PIP应变传感器的响应曲线弯曲角为45°。g） 单应变传感器与可伸缩HMI上应变传感器的性能比较。h） 相邻应变传感器之间的性能影响;插图：应变传感器测试位置的示意图。i） 相邻手指间应力传感器的性能影响;插图：应变传感器测试位置的示意图。
利用可伸缩人机智能（HMI）远程控制机器人手。a）展示远程机器人控制过程的流程图 b）可伸缩HMI上13个应变传感器的实时信号变化，对应不同的手部动作。c）可伸缩HMI的光学图像，用于远程控制机械手执行不同动作。
