基于循环浸涂工艺制备的疏水性三聚氰胺泡沫传感器，用于深度学习驱动的压力监测与手势识别

《Sensors and Actuators A: Physical》：Cyclic Dip-Coating Fabrication of Hydrophobic Melamine Foam Sensors for Deep-Learning-Based Pressure Monitoring and Gesture Recognition

柔性传感器开发采用商用材料创新工艺，以脲醛泡沫为基材通过循环浸渍法负载导电墨水，结合聚二甲基硅氧烷喷雾形成防水层。实验表明传感器具有28ms快速响应、5000次循环稳定性及1.12压阻系数，配合深度学习模型实现95%精度手势识别。研究为低成本多功能可穿戴传感器开发提供了新思路，在健康监测、人机交互等领域具有重要应用前景。

　　

孙思|徐曦|冯慧瑶|叶峥|肖倩茹

广州大学计算科学技术研究院，中国广州

摘要

开发高性能、多功能且低成本的可穿戴传感器具有重要意义。在本研究中，我们采用了一种简单的循环浸涂方法，显著提高了三聚氰胺泡沫的导电性。通过进一步喷涂聚二甲基硅氧烷溶液，改性后的泡沫既具有导电性又具有疏水性，使其适合作为防水压力传感器使用。该传感器能够轻松识别不同的压力参数（如压力强度和频率），并展现出优异的性能指标：响应时间约为28毫秒，且在5000次循环测试中仍保持稳定。此外，传感器电阻变化率与泡沫的压缩比呈线性关系（比例系数为1.12），因此可以通过测量电阻变化率来获取压缩比数据。借助深度学习模型，该传感器能够以接近95%的准确率识别不同的手势。这项研究为开发多功能且经济可行的可穿戴传感器提供了新的思路，这些传感器可用于检测压力、识别人类动作等领域，具有巨大潜力，例如帮助残疾人士、促进非语言交流以及提升人机交互。

引言

柔性传感器因具有薄型、轻便和可贴合复杂表面的独特特性，在传感技术领域取得了革命性进展，受到了医疗保健、消费电子和工业自动化等多个行业的广泛关注[1]、[2]、[3]、[4]。它们的贴合能力和可穿戴性使其在持续监测等应用中不可或缺，可以检测生命体征或身体运动的细微变化以及其他物体[5]、[6]、[7]。

柔性传感器的基底和导电材料对其性能和耐用性至关重要。通常，柔性传感器使用聚合物薄膜[8]、纺织品[9]甚至纸张[10]作为基底，因为这些材料具有柔韧性和低重量。值得注意的是，由泡沫材料制成的柔性传感器表现出更优的性能，因为它们具有高孔隙率和可压缩性，能够更好地贴合复杂表面。这些特性提高了传感器的灵敏度和耐用性，使其非常适合用于可穿戴设备和健康监测。此外，基于泡沫的传感器通常还具有轻便和透气的特点，从而提升用户长时间使用的舒适度[11]、[12]、[13]。对于导电元件，碳纳米管[14]、石墨烯[15]、银纳米线[16]以及PEDOT:PSS等导电聚合物[17]是优选材料，因为它们兼具优异的导电性和机械柔韧性。这些材料使传感器即使在反复弯曲或拉伸的情况下也能保持功能。纳米技术的进步还带来了高灵敏度和响应性的材料，能够检测压力、温度或化学成分的微小变化[18]、[19]、[20]。

计算技术的进步为跨学科研究提供了支持[21]。机器学习（ML）已成为柔性传感器技术领域的变革性工具[22]、[23]。借助ML算法，研究人员和开发者可以高效处理这些传感器收集的大量数据。ML技术在降噪和特征提取方面特别有用，能够从原始传感器数据中识别出有意义的模式。例如，在医疗应用中，机器学习模型可以分析柔性传感器记录的生理信号，以预测潜在的健康问题[24]。此外，ML有助于传感器系统适应个体用户的行为，提高活动识别的准确性，从而改善可穿戴设备的整体用户体验[17]。

因此，柔性传感器与机器学习的结合正在推动更智能、更个性化、响应更迅速的技术解决方案的发展。然而，上述用于制造柔性传感器的材料要么成本高昂，要么需要实验室合成，这严重限制了大规模生产的可能性。

因此，使用廉价且市面上易获得的材料作为制备柔性传感器的原料是一种很好的替代策略。在本研究中，我们选用了三聚氰胺泡沫（MF）作为柔性基底，这是一种轻质、低成本且具有优异压缩性能的商用聚合物材料，并使用了含有导电炭黑和聚氨酯的商业笔墨作为导电活性成分。此外，还在泡沫材料上涂覆了聚二甲基硅氧烷（PDMS），使其具有疏水性，从而提高了耐用性和防水性。通过结合循环涂覆方法，我们利用相对便宜的材料和优化的工程方法制备出了具有多种优异性能的柔性传感器。

材料

材料来源

三聚氰胺泡沫（MF）购自成都徐阳环保材料有限公司；笔墨（型号234A）购自浙江Hero有限公司；PDMS（Sylgard 184）购自陶氏康宁（美国）；银浆购自广州凯翔电子产品有限公司；乙酸乙酯购自国药试剂有限公司。

传感器制备

制备传感器时，首先使用电热切割机（常州Ken-Di KD-6A）将MF切割成所需尺寸，然后用清水清洗。

传感器的制备及其基本性能

如图1所示，我们采用循环涂覆法和PDMS溶液喷涂法对MF进行了改性。具体而言，将商用笔墨稀释至原浓度的10%，因为根据以往经验，高浓度墨水在被泡沫材料吸收后无法完全干燥，而低浓度墨水则可以。制备好墨水溶液后，将原始MF浸入稀释后的墨水中。

结论

总结来说，通过循环浸涂工艺，我们获得了具有高导电性的疏水性MF。多层结构的笔墨有效降低了泡沫的电阻，外层的疏水层能够有效保护内部材料。扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）和能量色散光谱（EDS）的结果表明，笔墨填充了MF的部分孔隙，PDMS也成功涂覆在其表面，赋予了泡沫良好的导电性和疏水性。

作者贡献声明

孙思：撰写初稿、概念构思。叶峥：指导、形式分析。冯慧瑶：验证。徐曦：研究调查。肖倩茹：撰写、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号62202112）的支持。作者感谢Shiyanjia实验室（www.shiyanjia.com）提供的XPS和SEM分析支持。

利益冲突

无

孙思目前是中国广州大学计算科学技术研究院的副教授，研究方向包括柔性材料、表面工程和生物计算。