聾啞人作為一個(gè)特別的群體，由于固有的自身的聽(tīng)、說(shuō)能力的限制，他們在日常生活中與健全人群的有效溝通和互動(dòng)面臨著(zhù)諸多障礙。手語(yǔ)是一種基于人類(lèi)手勢和肢體語(yǔ)言的交流方式，在聾啞人群體中被廣泛使用，但其抽象性和地域多樣性可能會(huì )給不懂手語(yǔ)的人造成交流障礙。目前，各種識別人類(lèi)手勢的技術(shù)，包括視覺(jué)圖像處理、肌電圖和可穿戴應變傳感器，在改善聾啞人群體的溝通方面發(fā)揮了重要作用。特別地，視覺(jué)圖像處理在手語(yǔ)識別中的準確性會(huì )受到環(huán)境背景和光照強度的制約，而肌電圖則受到電磁噪聲和嚴格定位要求的影響。

幸運的是，與剛性傳感器相比，可拉伸可穿戴應變傳感器可以保形粘附或固定在人體的各個(gè)關(guān)鍵位置，便于將人體內各種物理和機械應變信息轉換為不同的電信號（電阻、電容、電壓等）進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析，從而為聾啞人提供更方便有效的交流工具。水凝膠具有類(lèi)似軟組織的含水結構，具有柔軟度可調、固有拉伸性、機電響應性和生物相容性等優(yōu)點(diǎn)。因此，它們被廣泛用作應變敏感層，用于實(shí)時(shí)監測身體運動(dòng)，為準確的手語(yǔ)識別提供了必要的數據樣本。為了高質(zhì)量地獲取手語(yǔ)信息，要求應變傳感器具有高靈敏度和寬工作范圍，以實(shí)現對細微與大范圍手勢的同時(shí)檢測。

然而，大多數基于水凝膠的應變傳感器的傳感機制依賴(lài)于幾何形變效應，即水凝膠在拉伸過(guò)程中同時(shí)發(fā)生伸長(cháng)和橫截面積減小，從而使電阻變化。然后，僅僅依賴(lài)幾何形變效應產(chǎn)生的電阻變化很有限。因此，傳統塊體水凝膠存在較低的應變靈敏度（一般GF小于10）和不足的檢測限的問(wèn)題。此外，水凝膠固有的有限彈性導致應變傳感的響應/恢復時(shí)間較長(cháng)。因此，通過(guò)簡(jiǎn)便且成本效益高的制造技術(shù)設計具有高性能（例如高靈敏度、寬檢測范圍、快速響應/恢復速度、良好穩定性）的可拉伸應變傳感器，以便準確捕捉復雜精細的手語(yǔ)手勢，仍然是一個(gè)巨大的挑戰。更重要的是，可穿戴設備的透氣性問(wèn)題常被忽視，導致在長(cháng)時(shí)間佩戴過(guò)程中皮膚濕氣積聚，造成不適。

為了滿(mǎn)足各種人體動(dòng)作識別的高質(zhì)量信號采集和設備與人體皮膚界面長(cháng)期佩戴舒適性的需求，本文開(kāi)發(fā)了一種超靈敏、透氣與可穿戴的應變傳感器。該傳感器由兩端連接的環(huán)形聚丙烯酰胺（PAM）/海藻酸鈣（Ca-Alg）雙網(wǎng)絡(luò )水凝膠纖維、兩個(gè)電極、用于基底和封裝層的Ecoflex膜以及通過(guò)纖維和Ecoflex切割引入的定制垂直局部裂紋結構組成。值得注意的是，多孔彈性體封裝膜（PEEM）和非多孔彈性體封裝膜（NEEM）可以分別賦予設備優(yōu)異的透氣性和防水性能，可以根據不同的應用需求進(jìn)行相應的選擇，從而改善用戶(hù)體驗和信號采集。

本論文提出了基于閉環(huán)局部裂紋（CLC）應變的傳感機理：即外部應變加載下預切裂紋閉合/打開(kāi)引發(fā)的導電路徑的急劇切換（從低電阻的并聯(lián)到高電阻的串聯(lián)）和水凝膠纖維的幾何形變效應共同作用下導致電阻急劇變化。這種新型傳感機制使傳感器具有超高靈敏度（最大GF = 3930）、寬檢測范圍（從0.02%到80%的應變）、較短的響應/恢復時(shí)間（78/52 ms）和良好的重復性（5000次循環(huán)），靈敏度遠高于傳統的無(wú)微結構的水凝膠基柔性應變傳感器。更重要的是，裂紋在正常工作范圍內幾乎不擴展，具有良好的機械穩定性。因此，CLC應變傳感器可以準確地檢測人體從微小脈搏到大關(guān)節彎曲的各種運動(dòng)與生理信息。進(jìn)一步地，結合多通道傳感器模塊、無(wú)線(xiàn)電路和人工智能（AI）算法，構建了一種手語(yǔ)識別系統，實(shí)現了不同手語(yǔ)信息的無(wú)線(xiàn)傳輸和準確識別，準確率高達98.1%，提高了手語(yǔ)交流的效率。本研究展示了采用裂紋水凝膠纖維與AI集成的設備結構設計策略，為制備舒適、高性能、智能可穿戴電子設備提供了簡(jiǎn)便而有效的解決方案。

相關(guān)工作以“Ultrasensitive and Breathable Hydrogel Fiber-Based Strain Sensors Enabled by Customized Crack Design for Wireless Sign Language Recognition"為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。通訊作者為中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院吳進(jìn)、南京工業(yè)大學(xué)柔性電子（未來(lái)技術(shù)）學(xué)院霍峰蔚教授和西北工業(yè)大學(xué)陶凱教授。共同第一作者為中山大學(xué)研究生姚帝杰、王偉燕和王浩。

圖1. 水凝膠基CLC應變傳感器的結構設計、制備流程與應用

圖2. CLC應變傳感器的工作機理及傳感性能表征

圖3. CLC應變傳感器的傳感性能調控

圖4. 透氣CLC應變傳感器的傳感性能表征

圖5. CLC傳感器對各種重復的人體運動(dòng)和生理信號的動(dòng)態(tài)電阻變化

圖6. 應變傳感器在無(wú)線(xiàn)手語(yǔ)識別中的應用