ACS Applied Optical Materials | 自供能机械发光手套：灵敏人机交互新方案- 大数跨境

ACS Applied Optical Materials | 自供能机械发光手套：灵敏人机交互新方案

X-MOL资讯

2025-05-28

英文原题：Self-Powered Mechanoluminescence-Based Mechanical Sensing Glove for Human-Machine Interaction

作者：Yunpeng Zhou, Yanyan Li*, Long Feng, Hongxin Song, Kai Ge Cheng, Lili Li, Wenya Pan, Shuaikang Zhu, and Lei Zhao*

图文解读

在现代人机交互（HMI）设备的研发中，如何实现灵敏、便捷和高效的机械信号检测始终是一个重要课题。传统的柔性传感器往往面临结构复杂、制造成本高、灵活性不足等挑战，难以满足实时操作和智能互动的需求。为了应对这些技术瓶颈，宝鸡文理学院物理与光电技术学院赵磊团队在国际期刊《ACS Applied Optical Materials》上发表了一项创新研究，成功开发了一种自供能光-机械传感手套（OSWD），不仅具有高灵敏度和广应变响应范围，还能够在无需外部供电的情况下实时进行机械信号检测。这一突破为下一代智能可穿戴设备提供了新的技术解决方案。

研究团队设计的OSWD手套基于机械发光（ML）效应，采用机械力诱导摩擦发光机制，能够在外力作用下直接发出可见光信号。其核心材料是稀土和过渡金属离子（如Tb³⁺、Dy³⁺、Mn²⁺）掺杂的Ca₁₀Li(PO₄)₇复合物，该材料在受到机械挤压、拉伸或摩擦时，可分别发出绿色、黄色和红色光，实现机械信号的视觉化表达。与传统电子传感器相比，这种自供能机制能够有效避免外部电源的依赖，减少了设备复杂性，同时确保了实时性和高效性。

在实验中，研究人员首先验证了OSWD手套的发光特性。测试表明，当施加机械应力时，手套材料能够快速响应，发光强度与应力成正比，灵敏度达到1.13%。尤其是在0.6%至180%的应变范围内，手套能够精准感知指关节弯曲产生的机械刺激，信号响应稳定且具有良好的循环耐久性。这表明手套材料在频繁使用情况下仍能保持高效的发光性能，不受外界环境的明显影响。

图1. 基于Ca₁₀Li(PO₄)₇:Mn²⁺@PDMS的PL/PLE光谱、应力应变ML响应、随温度变化特征及多次拉伸后自恢复性能与可循环性测试，展现了该复合材料在力学传感中的应用潜力。

OSWD手套的低成本和轻便性也是其重要优势之一。研究团队将ML复合材料嵌入柔性聚二甲基硅氧烷（PDMS）基质中，制备出既具弹性又坚固的复合膜。这种材料能够有效抵抗拉伸、扭曲等机械变形，表现出优异的机械稳定性。在可穿戴应用中，这种柔性特性使得手套在各种复杂运动下依然能够保持正常工作，不会因变形而失效。同时，手套在汗液环境或高温环境下表现出良好的功能稳定性，进一步提升了其实用性和耐用性。

为了实现实时的人机交互，研究人员还集成了RGBTCS颜色传感器和2.4G无线模块，使OSWD手套能够通过无线传输将机械信号转化为操作指令。在实际演示中，用户佩戴手套后，通过手指弯曲即可操控遥控车辆的移动和转向。系统能够实时识别手指动作，并将不同颜色的发光信号转换为特定指令，完成远程控制操作。这种无缝对接的操作模式不仅提升了人机互动的自然性，还极大拓展了可穿戴传感器在远程操作、虚拟现实和智能控制等领域的应用潜力。

图2. OSWD将ML光学传感手套作为人机交互遥控端，利用RGBTCS传感器和微控电路识别、传输ML信号。不同手指弯曲刺激内部复合材料产生对应ML，从而精准无线控制小车移动。

总结/展望

OSWD手套的成功开发为柔性传感器领域带来了全新理念，尤其是在智能穿戴设备的应用上展现出广阔前景。相比传统的电子传感器，OSWD手套不仅具有更高的机械灵敏性和响应速度，还能在低功耗甚至无功耗的情况下实现长时间稳定工作。研究团队表示，这种基于摩擦发光的自供能技术有望进一步推广到更多人机交互场景，如虚拟现实控制、康复训练监测和智能机器人操控等。未来，团队将继续优化材料配方和结构设计，进一步提升手套在不同场景下的应用性能。

此次研究得到了陕西省自然科学基金和教育厅科研计划项目的支持，研究成果正在申请专利保护。研究人员表示，这种手套的灵活性和自供能特性在智能穿戴设备领域具有重大应用价值，未来将通过与产业界合作，加速其产业化进程，助力智能人机交互技术的发展。通过此次研究，团队不仅在机械发光材料的设计和应用上取得了重要进展，还为HMI系统的构建提供了新的研究思路和技术路径。

扫描二维码阅读英文原文