柔感萬聯(lián)——多元柔性傳感器驅(qū)動(dòng)VR感知

摘要：本項(xiàng)目研發(fā)了一種新型柔性傳感器，其采用磁性碳基材料和鐵納米線，并結(jié)合微電子技術(shù)，具備高靈敏度、高精度的運(yùn)動(dòng)捕捉能力，適合應(yīng)用于VR運(yùn)動(dòng)和健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。該傳感器具有輕便、柔軟、舒適的特性，能精確感知用戶動(dòng)作，進(jìn)而提升互動(dòng)體驗(yàn)。將傳感器集成到傳感手套中，再結(jié)合機(jī)械手進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，這一操作驗(yàn)證了傳感器在手部動(dòng)作監(jiān)測(cè)方面的優(yōu)異性能，也確保了長(zhǎng)時(shí)間佩戴的舒適性與穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：柔性傳感器；VR傳感；人機(jī)交互

1作品介紹

傳感器是近年來虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)中的關(guān)鍵組成部分之一，被廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)捕捉、健康監(jiān)測(cè)以及增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。近年來，市場(chǎng)對(duì)柔性傳感器的需求持續(xù)增長(zhǎng)，尤其是在VR運(yùn)動(dòng)和健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的VR傳感器依靠陀螺儀和加速度計(jì)捕捉用戶的運(yùn)動(dòng)信息，雖然可以實(shí)現(xiàn)基本的運(yùn)動(dòng)追蹤，但由于靈敏度較低、佩戴不舒適等問題，其應(yīng)用受到了限制。因此，對(duì)新傳感技術(shù)的需求日益增加。

基于上述問題，本項(xiàng)目通過技術(shù)創(chuàng)新，成功研發(fā)出新一代柔性傳感器，可廣泛應(yīng)用于VR運(yùn)動(dòng)、健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。該傳感器創(chuàng)新地采用了磁性碳基材料和鐵納米線作為核心成分，結(jié)合先進(jìn)的微電子技術(shù)和材料科學(xué)，具備高靈敏度、高精度的運(yùn)動(dòng)捕捉能力。與傳統(tǒng)的硬質(zhì)傳感器不同，本柔性傳感器具有輕便、柔軟和高度適應(yīng)性的特點(diǎn)，能夠精確感知用戶的微小動(dòng)作變化，提供更加自然、真實(shí)的互動(dòng)體驗(yàn)。團(tuán)隊(duì)采用的磁性碳基材料不僅具備優(yōu)良的導(dǎo)電性能和抗干擾能力，還能有效提升傳感器的穩(wěn)定性和耐用性。此外，該傳感器的設(shè)計(jì)注重舒適性，其柔性材料可緊密貼合人體皮膚，避免了傳統(tǒng)硬質(zhì)傳感器的笨重感，讓用戶長(zhǎng)時(shí)間佩戴也不會(huì)產(chǎn)生不適感。

為了測(cè)試柔性傳感器的性能，將其集成到傳感手套中，如圖1所示，并結(jié)合機(jī)械手進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋演示。傳感手套的設(shè)計(jì)考慮到舒適性和靈活性，將柔性傳感器嵌入到傳感手套中，傳感器能夠緊密貼合手部，同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間佩戴也舒適。將傳感器置于手指部位，能夠全面監(jiān)測(cè)手部動(dòng)作，包括手指彎曲、張開、捏合等。傳感手套通過ESP32無線通信模塊與機(jī)械手連接，將手部動(dòng)作的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給機(jī)械手，機(jī)械手根據(jù)這些數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。通過機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，能夠直觀地觀察到傳感器的動(dòng)作響應(yīng)，從而進(jìn)一步驗(yàn)證傳感器在手部運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)中的性能。

2技術(shù)原理

（1）本項(xiàng)目研發(fā)了高長(zhǎng)徑比的鐵納米線復(fù)合敏感單元，采用了鐵納米線（ FeNWs）、羧甲基纖維素（CMC）、碳納米管（ CNTs）作為傳感器的復(fù)合敏感單元漿料。其中，鐵納米線采用磁場(chǎng)輔助原位還原法制備，能夠克服傳統(tǒng)原位還原法只能制備長(zhǎng)徑比固定的鐵磁納米線的缺陷。該方法的合成路線簡(jiǎn)單、工藝可控，反應(yīng)在常溫常壓條件下進(jìn)行，符合實(shí)際生產(chǎn)需要，適合工業(yè)化生產(chǎn)。所制得的鐵磁納米線具有良好的取向性，直徑小于100 nm，長(zhǎng)度為3～10 um，長(zhǎng)徑比高，還具有良好的柔韌性、磁性能和微波吸收性能。

（2）本柔性傳感器采用分層復(fù)合柔性織物基底，通過將PU高彈纖維與乳膠絲復(fù)合紗線加捻制成彈性包芯紗，擁有超柔性的力學(xué)性能，楊氏模量?jī)H為0.092 MPa，遠(yuǎn)低于人體皮膚的楊氏模量，從而表現(xiàn)出極好的柔軟性和彈性。

（3）本柔性傳感器采用多層微納敏感單元構(gòu)筑技術(shù)構(gòu)建敏感單元。首先，通過浸漬法，將柔性織物基底兩次浸漬于復(fù)合敏感單元漿料并進(jìn)行干燥，從而形成穩(wěn)定的導(dǎo)電層；隨后，將其浸漬于PEDOT：PSS溶液中，形成導(dǎo)電保護(hù)膜。如此一來，該柔性傳感器具備出色的穩(wěn)定性，即便反復(fù)拉伸20 000次，仍然能夠保持線性穩(wěn)定。

柔性傳感器的制備過程如圖2所示。

3創(chuàng)新點(diǎn)

本項(xiàng)目使用了特殊結(jié)構(gòu)的乳膠一彈性紗來制備紗線傳感器。通過良好的浸漬過程，將兩層復(fù)合敏感單元與一層PEDOT：PSS均勻地包裹在呈螺旋結(jié)構(gòu)的聚酯纖維表面。所制造的紗線傳感器具備超靈活性（0.09 MPa）、出色的應(yīng)變檢測(cè)范圍（0.0250/～200%）、卓越的穩(wěn)定性（gt;20 000個(gè)循環(huán)），并且在不同速率、應(yīng)變范圍和樣品長(zhǎng)度下均表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性。制備好的紗線傳感器平衡了三個(gè)性能指標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的感應(yīng)以及與自然的相互作用。將紗線傳感器整合到傳感手套中，實(shí)現(xiàn)了更自然的手勢(shì)識(shí)別，并成功應(yīng)用于人機(jī)交互VR領(lǐng)域。這項(xiàng)工作為VR傳感提供了創(chuàng)新的解決方案，有助于提高VR傳感過程中的舒適性與穩(wěn)定性。

4應(yīng)用前景

（1）國家政策支持

在全球范圍內(nèi)，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)的應(yīng)用前景日益廣闊，尤其是在體育、健康和教育等領(lǐng)域，其潛力正受到越來越多國家的重視。我國政府對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支持力度持續(xù)加大，并將其視為數(shù)字經(jīng)濟(jì)和科技創(chuàng)新的重要組成部分，尤其是在《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》和《虛擬現(xiàn)實(shí)與行業(yè)應(yīng)用融合發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（ 20222026）》等政策文件中，明確提出要加速推動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用。政府的政策支持為相關(guān)企業(yè)提供了強(qiáng)有力的推動(dòng)力，助力了VR行業(yè)特別是與健康、運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的細(xì)分市場(chǎng)的迅速崛起。在國家政策的引導(dǎo)下，虛擬現(xiàn)實(shí)被定位為新一代信息技術(shù)的前沿方向，未來將深刻改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)、生活和健康方式。國家通過加大技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設(shè)投入，不僅為VR技術(shù)的發(fā)展提供了資金支持，還在創(chuàng)新研發(fā)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定和人才培養(yǎng)等方面出臺(tái)了扶持政策。這些政策的出臺(tái)為企業(yè)創(chuàng)新營造了良好的政策環(huán)境，為VR相關(guān)技術(shù)發(fā)展鋪平了道路。

（2）市場(chǎng)前景

在當(dāng)前市場(chǎng)環(huán)境下，傳感器行業(yè)前景廣闊，特別是在虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）與運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域表現(xiàn)尤為突出。VR運(yùn)動(dòng)有著顯著的投資潛力，吸引了眾多投資者的目光。全球虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）市場(chǎng)規(guī)模在2023年為251億美元，預(yù)計(jì)到2032年將增長(zhǎng)到2 448億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率（ CAGR）為28.6%。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)市場(chǎng)也在迅速擴(kuò)張，2022年其全球規(guī)模為18.8億美元，預(yù)計(jì)到2030年將增長(zhǎng)到67.5億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為26.8%。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，我國體育健身休閑活動(dòng)的總產(chǎn)出連年保持穩(wěn)定增長(zhǎng)，2018 2022年復(fù)合增長(zhǎng)率為5.37%。由此看來，本項(xiàng)目研發(fā)的柔性傳感器擁有廣闊的市場(chǎng)前景。