手的感觉感受器在接受到外界刺激时，会将不同形式的物理刺激转化为信息编码，进而通过感觉神经细胞与外界环境进行交互。近年来，针对仿生机器人、工业机器人和假体使用者设计出大量电子皮肤传感器。然而，设计出具有优异力学性能、高导电性和易于集成的无源手部传感阵列仍然面临一系列挑战。
近期，太原理工大学电子信息与光学工程学院张虎林教授团队设计了一种集成热电凝胶阵列的可穿戴触觉手套，在深度学习帮助下进行手语/物体识别。利用溶剂交换和盐析效应成功制备出具有高强度、韧性和离子导电性的热电水凝胶。该团队首先将PVA粉末和DMSO经过高温搅拌形成前驱体溶液（DMSO破坏PVA链间的氢键）。然后，在室温下，溶液凝胶化，并将凝胶浸泡在含有[Fe(CN)6]4-/3-的水溶液中制备热电凝胶。该凝胶具有很高的拉伸强度（3.8 MPa）和韧性（7.5 MJ m-3），离子电导率为1.84 S m-1。此外，热电凝胶还具有出色的粘附性，能够牢固地粘附在碳纤维上，粘附强度可达14.8 kPa，从而保持在柔性/可穿戴设备上的粘接界面。
通过耦合热伏和压阻效应，热电凝胶单元可以将应变转换为电信号实现对压力的无源感知。当压力小于300 kPa时，该电子器件压力灵敏度（S）为0.06 kPa-1。在施加80 kPa的负载下，响应时间为0.36 s，复位时间为0.27 s。基于这些出色的性能指标，该团队将热电模块贴附在手套上。当使用不同的手势/抓取不同物体时，热电（产生热电势）和压阻效应耦合产生电流变化，利用深度学习算法对采集的多通道信号进行特征提取和解析分类，实现对不同手语/物体的精准识别。这项工作为下一代人工智能的无障碍通信和人机交互提供了新的方向。该文以“Coupling Thermogalvanic and Piezoresistive Effects in a Robust Hydrogel for Deep-Learning-Assisted Self-Powered Sign Language and Object Recognition”为题发表在《Chemical Engineering Journal》（IF=15.1）。太原理工大学硕士生杨航为第一作者，通讯作者为太原理工大学张虎林教授，该研究得到山西省自然科学基金、山西省科技合作与交流专项等的支持。
该成果是张虎林教授团队关于凝胶热电器件研究的最新进展之一，这项工作构想了基于热电转换/压阻效应耦合的无源压力传感概念，推进了基于凝胶热伏效应的无源压阻技术在无源智能传感和人机交互领域的应用发展。自2021年以来，张虎林教授团队制备了一系列基于不同聚合物网络和氧化还原对的热电凝胶可穿戴器件，并致力于开拓凝胶器件在人体健康监测和信息交互领域的应用场景，取得了一系列重要研究成果，具体详见（自2021年以来，通讯/第一）：Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2314419; Nano Energy 2024, 123, 109366; Chem. Eng. J. 2024, 488, 150816; ACS Sens. 2024, 9, 840; J. Mater. Chem. C 2024, 12, 3298; Nano Energy 2023, 113, 108612; Compos. Sci. Technol. 2023, 239, 110077; Nano Res. 2023, 16, 10198; ACS Appl. Polym. Mater. 2023, 5, 4628; Nano Energy 2023, 106, 108077; Sens. Actuators, A 2023, 354, 114305; Sens. Actuators, A 2023, 361, 114604; Chem. Eng. J. 2023, 473, 145247; Appl. Energy 2023, 348, 121509; ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 48743; Appl. Surf. Sci. 2022, 605, 154765; Micromachines 2022, 13, 1219; Nano Energy 2022, 99, 107318; Nano Energy 2022, 100, 107449; Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2204803; Energy Technol. 2022, 10, 2200195; J. Mater. Chem. C 2022, 10, 13789; Nano Energy 2021, 89, 106465; ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 37306; ACS Appl. Energy Mater. 2021, 4, 14700.
作者简介：张虎林，太原理工大学教授、博士生导师、学术委员会委员，山西省青年拔尖人才、三晋英才-拔尖骨干人才，山西省青年科技工作者协会理事、中国青年科技工作者协会理事、四川省杰出青年基金获得者。2012-2014年赴美国佐治亚理工学院联合培养，2014年博士毕业于重庆大学并被电子科技大学直聘为副教授。2017年在香港理工大学访学1年，并于年底受聘为太原理工大学教授。研究方向为无源智能传感，已在Adv. Mater.、Nano Lett.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy等国际一流学术刊物上发表SCI论文100余篇，其中第一/通讯作者53篇（22篇IF>10），论文被引用7500余次，h因子为42，申请美国专利4项、中国专利9项（已授权5项），所做的工作曾被CNN、BBC、NanoWerk、科学网、科技日报、中国科学报、太原日报等报道，研究成果获评2023年MINE优秀青年科学家、JMCC Emerging Investigators-2022、2020年山西省科技功勋、2019年山西省自然科学二等奖（排名第1）。主持国家自然科学基金、山西省自然科学基金、山西省科技合作与交流专项、四川省杰出青年基金、国家重点研发计划子课题等，另参与多项课题。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150816
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