摘要：近日，武汉纺织大学王栋教授、刘琼珍副教授在《Advanced Functional Materials》期刊在线发表题为《A Fabric-Based Multimodal Flexible Tactile Sensor With Precise Sensin
近日，武汉纺织大学王栋教授、刘琼珍副教授在《Advanced Functional Materials》期刊在线发表题为《A Fabric-Based Multimodal Flexible Tactile Sensor With Precise Sensing and Discrimination Capabilities for Pressure-Proximity-Magnetic Field Signals》的研究论文。
创新技术，开启多模态传感新篇章
本研究创新性地提出了一种多模态柔性电容传感器（MFCS），该传感器基于一块PET织物基材，能精准感知并区分压力、手部接近及磁场变化，有效扩展了传感器的感知维度。MFCS由集成磁性倾斜微柱（MTM）阵列的一体化织物电极（Ag/PET/MTM-PDMS）与另一织物电极（Ag/PET）组成，中间夹有MTM-PDMS介电层。一体化电极通过低温固化、丝网印刷结合激光雕刻技术制备，具有工艺简单、成本低、适于批量生产的优势。在以往的研究中，单一模态的传感器往往难以满足复杂环境下的多样化感知需求，而本研究利用MTM-PDMS的高灵敏度变形特性、快速磁响应、织物电极的边缘电场增强效应以及一体化织物电极的优良界面耦合性，MFCS传感器具备了高灵敏度和快速响应能力。总之， MFCS凭借其多模态检测能力、低成本及柔性织物设计，有望在人机交互、人工智能及健康监测等领域展现出广阔的应用前景。
图1 MFCS的制备流程、工作机制与应用场景概念图
柔性织物基底，舒适贴合人体
除了多模传感，采用织物作为基底材料，是MFCS的另一大亮点。与传统的硬质传感器相比，织物基底赋予了MFCS出色的柔韧性和可穿戴性，它能够紧密贴合人体皮肤或各种不规则表面。无论是在日常穿戴还是在特殊环境下的长时间使用，都能保持良好的性能和稳定性，极大地提升了用户体验。
图2 多模态织物基电容传感器（MFCS）的宏观形貌与微观结构
灵敏度与精准度双提升，性能卓越
MFCS传感器展现出了卓越的多模态传感性能。在压力传感方面，MFCS展现出高灵敏度和快速响应特性，能在0-2 kPa压力下达到0.146 kPa-1的灵敏度。它能够敏锐地捕捉到微小的压力变化，无论是微小物体接触还是重复的循环测试，都能精准地转化为电信号输出。MFCS的响应/恢复时间约12/24 ms，能够实现这种快速的响应和恢复，主要归功于MTM材料的高弹性以及一体化织物电极-介电层之间优异的界面耦合效果。这些特性使得MFCS传感器在需要快速响应的应用场景中具有显著的优势。图3 多模态织物基电容传感器（MFCS）的压力传感性能
在接近传感上，MFCS能检测20 cm范围内的人手接近，0-2 cm范围内灵敏度为-0.039 cm-1。此外，MFCS具有在2 mm非接触距离下对不同手势的识别能力，为实现非接触式操作提供了可靠依据。MFCS的高灵敏度和短距离快速探测能力，预示着其在精准手势识别、人机交互以及提高机器人的灵活性和安全性方面的应用潜力。图4 多模态织物基电容传感器（MFCS）的接近传感性能
在磁场传感方面，MFCS的磁场检测限为10 mT，60-230 mT范围内灵敏度为-1.72 T-1，MFCS对60 mT磁场展现出22 ms的快速响应时间和75 ms的恢复时间。MFCS对磁场的高灵敏度和快速响应和恢复归因于介电层MTM的快速磁响应与灵活的变形能力、一体化织物电极的强机械顺应性的协同作用和无缝集成的电极-介电层的优异界面耦合性。值得注意的是，磁场传感功能为MFCS在复杂应用场景中提供了高选择性的非接触探测与交互能力。图5 多模态织物基电容传感器（MFCS）的磁场传感性能
此外，MFCS能够通过电容测试和谐振频率测试模式轻松区分接近、压力和磁场的刺激。图6清晰描述了MFCS在电容和谐振频率测试模式下对接近、压力和磁场信号多重信号的检测与分辨的机制示意图。在电容测试模式下， MFCS不仅能够通过ΔC/C00的响应距离与变化幅度区分接近（非接触）类型（人手靠近或磁体（磁场）靠近）。在谐振频率测试模式中，MFCS能够通过谐振频率的频移方向和变化幅度，实现对接近、压力和磁场的多重传感和信号的高度可辨性。两种模式的结合有助于轻松区分三种信号：磁体接近（磁场），其特征为ΔC/C000>0且Δfr<0。图6 MFCS在（a）电容模式和（b）谐振频率模式下对接近、压力和磁场信号多重信号的检测与识别的机制示意图
应用前景广阔，引领智能科技潮流
为了全面评估MFCS的高效传感性能，本研究深入探究了其在可穿戴人体健康监测和接近-触觉领域的应用潜力，结果示于图 7中。MFCS在语音捕捉、关节运动监测、呼吸与行走压力检测等应用中表现出快速且稳定的响应。此外，MFCS能够精准区分手指接近、接触、按压和快速离开等连续动作，其电容响应信号清晰可辨，不重叠。基于此，研究人员成功实现了通过接触与非接触手指动作进行莫尔斯编码的案例，为人机交互开辟了新的加密通信途径，可用于个人身份验证、敏感信息传输以及在传统通信手段受限的环境中进行隐蔽信息交换。总之，研究证实MFCS在语音捕捉、手指动作识别、关节与手腕运动监测、触觉交互、呼吸与行走压力检测等方面具有高精确度和稳定性。MFCS能够感知接触与非接触状态，并执行非接触手势通信，为智能可穿戴设备与交互系统的发展提供了新视角。
图7 MFCS在可穿戴健康监测与接近-触觉交互领域的潜在应用场景的展示
为了展示 MFCS 在人机交互（HCI）方面的潜力，本研究设计了一个基于 MFCS 的简单交互系统（见图 8）。传感器可以准确分辨并响应接近、压力和磁场刺激，MFCS 可通过磁信号和压力信号之间的灵活切换，实现对演示文档的便捷翻页控制，从而显著提高人机交互的便捷性和乐趣。通过在手的接近和压力操作之间切换，MFCS 还可以毫不费力地放大和缩小 PPT 页面，从而促进详细的人机交互。MFCS可以融入环境，感知近距离、压力和磁场参数，使其不仅适用于自适应家庭控制（如灯光、电器）和环境磁场检测，还可用作响应用户操作的输入接口，用于游戏控制或命令执行。此外，MFCS 还可利用环境磁场或人工磁场以及手部接近/接触开关来促进人类与计算机之间的交流，从而实现自然、无缝的接触/非接触人机交互。
图 8使用 MFCS 进行无缝接触/非接触人机交互的演示
本研究成功开发了一种织物基多模态柔性电容传感器（MFCS），该传感器有效集成了压力、接近及磁场感知功能，显著提升了多维传感能力。通过创新的单面无缝集成磁性倾斜微柱阵列与一体化织物电极设计，MFCS实现了对多种刺激的高灵敏度、快速响应与准确区分。此外，研究还验证了MFCS的三维贴合性，并展示了其在可穿戴健康监测和触觉交互中的应用潜力。总之，MFCS不仅解决了多信号准确识别及有效分辨的难题，而且实现了传感器的易集成、低成本及大面积的制造工艺，为柔性触觉传感器领域提供了一种新的解决方案。未来的研究将致力于提高MFCS在复杂环境下的稳定性与灵敏度，以适配真实的接近-接触交互场景，促进其在智能制造、健康监测和人机交互等领域的深入应用与拓展。
来源：高分子科学前沿