柔性傳感器在可穿戴設備、人機交互、醫療監測及運動康復等新興戰略領域展現出巨大潛力。它們可靈活配置於人體各部位，對各類生理與運動參數進行數字化，實現「實-虛」世界的交互。然而，如何使其在小尺寸下兼具對微弱生理信號與關節大拉伸的高敏探測性能，如何實現多體徵或多關節運動參數分布式動態感知，以及如何在複雜的使用環境下保持穩定的信號輸出，這些仍是柔性可穿戴亟待攻克的難題。
近日，武漢理工大學周祖德教授團隊的李天梁教授課題組受圓葉母草（LinderniaNummularifolia,LN）外形啟發，開發了一種以Ecoflex 0030為柔性基底，LN形彎曲光纖為中間層的仿生光纖應變（BSOS）傳感器。這種「三明治」結構BSOS傳感器製備工藝簡單，具有優異的可拉伸性、柔性、透明性以及防水性（圖1）。
圖1. BSOS傳感器的結構模型。（a）BSOS傳感器的設計靈感及「三明治」結構；（b）透明性、柔性、可拉伸性；（c）尺寸、重量和防水性。
BSOS傳感器利用光纖光柵窄帶濾波原理，在LN形光纖的兩端各配置有一段光纖光柵（FBG）。融合所提出的光纖光柵波長-光強混合編碼方法，構建了具有溫度自補償的雙光纖光柵光強差分應變傳感模型，實現了對人體微小應變與大應變的混合測量。BSOS傳感器傳感區域的拉伸率高達80%，突破了石英光纖延展性不足（<1%）的瓶頸難題，滿足人體關節彎曲引發的皮膚大應變的監測需求（大於30%）。由於BSOS傳感器採用小型化的皮膚貼片式設計，其尺寸僅有硬幣大小，最大應變靈敏度高達1.387 dB/mm，可實現對0~90°內彎曲角的探測。此外，它在高達20000次連續動態拉伸下仍能穩定輸出，兼具出色的動態特性。這些優異性能使其可用於包括眼部和喉部的微小肌肉活動及關節大幅度彎曲運動等在內的人體各類運動參數檢測（圖2）。
與此同時，還開發了多個基於BSOS傳感器的人機交互界面，包括面向關節和肌肉損傷患者的沉浸式康復訓練系統、基於指關節和咬肌活動的病患免提通訊系統、以及遠程機器人輔助堆疊遊戲等（圖3），以期為醫療保健及運動康復領域提供創新性的人機交互解決方案。
該研究成果以「Bioinspired Stretchable Fiber-Based Sensor toward Intelligent Human−Machine Interactions」為題，發表於ACS Applied Materials & Interfaces（DOI：10.1021/acsami.2c05823），武漢理工大學系論文唯一完成單位，李天梁教授，研究生蘇軼飛，孟偉副教授、艾青松教授、劉泉教授、譚躍剛教授和周祖德教授等為共同作者，該研究得到了國家自然科學基金的支持。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acsami.2c05823
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