用于运动捕捉的可拉伸曲率传感器：结合弯曲-拉伸耦合变形机制

《Advanced Science》：Stretchable Curvature Sensors for Motion Capture with Bending-Stretching Coupling Deformation

提出一种基于波状对称叠层结构（WSSLS）的可拉伸曲率传感器，通过解耦弯曲与拉伸效应，解决了传统传感器因界面摩擦和滑动导致的测量误差问题。实验表明，该传感器在存在摩擦和滑动时，测量误差降低93.6%，具有高线性（R2=0.9997）和重复性，并成功应用于智能手套和机器人控制，实现精确的人机交互。

　　
在柔性电子与可穿戴设备领域，曲率传感器的开发始终面临两大核心挑战：一是如何实现高精度曲率测量与拉伸形变的解耦；二是如何确保传感器在复杂动态环境中的长期稳定性。近年来，虽然基于弹性应变计和传统层叠结构的曲率传感器已有研究突破，但其在实际应用中仍存在明显短板。传统弹性应变计需通过粘合剂与皮肤或织物直接接触，但界面摩擦和滑动会导致信号漂移，测量误差高达30%-50%。而刚性层叠式曲率传感器虽能保持线性响应，却因缺乏延展性难以适应大变形场景，在可穿戴设备中应用受限。

本研究提出一种创新性的波状对称层叠结构（WSSLS）作为传感器的核心组件。该结构通过精密的曲表面光刻技术制备，成功实现了柔性曲率传感器领域的三大突破：首先，独创的双层应变解耦机制有效分离了弯曲与拉伸形变的影响，使传感器在0-50%应变范围内仍能保持±2.9%的测量误差；其次，采用铂金导电箔与聚乙烯基底的协同设计，在实现98.7%拉伸形变容量的同时，仍能保持0.05%的电阻变化灵敏度；最后，通过自补偿温度和压力干扰的桥接电路设计，使传感器在±40°C温度波动和50kPa静态压力下仍能维持98.2%的信号稳定性。

在制备工艺方面，研究团队开发了"热塑性处理+磁控溅射"的复合加工法。通过将光刻胶预处理与铂金薄膜沉积工艺结合，成功解决了传统波状结构加工中存在的褶皱断裂问题。实验数据显示，经该工艺处理的传感器在2000次循环加载后仍保持99.1%的线性度，其循环稳定性显著优于现有商业传感器产品。

机械性能测试表明，该传感器在0-50%应变范围内具有优异的动态响应特性。通过将有限元分析（FEA）与实测数据对比验证，发现其理论模型预测精度达到98.5%。特别是在高速应变加载（4mm/s）场景下，传感器仍能保持0.02%的测量误差，响应时间缩短至146ms，这为实时运动控制提供了技术保障。

对比实验揭示了本研究的显著优势：在模拟皮肤-织物界面滑动条件下，传统应变传感器测量误差高达46.8%，而本结构仅产生2.9%误差，降低幅度达93.6%。压力自补偿机制方面，实验显示当施加25kPa压力时，传感器输出电压漂移仅为0.05%，而传统结构可达2.1%。温度补偿性能测试表明，在40°C温升环境下，传感器电阻变化率被控制在0.12%以内，完全满足医疗级设备的标准要求。

应用验证部分，研究团队开发了智能手套原型机。通过集成6个这种曲率传感器，成功实现了手指关节0.01mm级曲率变化的检测精度。在机器人控制实验中，当机械臂执行抓取、转动等复杂动作时，传感器仍能保持0.005mm的分辨率，成功引导六足机器人完成迷宫导航任务。特别值得关注的是，在模拟极端环境测试中，传感器在液态氮（-196°C）和高温老化（85°C/2000h）条件下性能保持率均超过95%，这为工业级可穿戴设备提供了可靠解决方案。

该研究的创新性体现在三个方面：1）结构设计层面，首次将波状对称层叠结构与双层应变解耦机制结合，解决了柔性基底与刚性导电层之间的应力传递难题；2）材料选择上，突破性地采用铂金导电层，在保证机械柔性的同时，将电阻温度系数控制在0.0005%/°C以下，显著优于传统镍铬合金；3）制造工艺上，开发了曲表面光刻技术，使波状结构的加工精度达到±0.1μm，确保了导电路径的完整性。

在产业化应用方面，研究团队已建立完整的工艺链。通过优化磁控溅射参数（Ar/O2流量比1:3，沉积速率0.8nm/s），使铂金薄膜的延展性达到150%以上。封装环节采用双层硅胶固化工艺，成功将传感器厚度压缩至0.3mm，机械强度提升至120N/m。实测数据显示，该传感器在穿戴状态下可承受50kgf的压力，弯曲半径最小可达5mm，完全满足医疗康复和工业检测需求。

实验还揭示了该传感器独特的自补偿特性：当同时存在拉伸和弯曲变形时，其输出信号仅表现为弯曲分量的0.03%干扰，通过桥接电路设计可有效消除。这种解耦能力使得传感器在动态复合形变场景（如关节运动）中仍能保持98%以上的测量精度。经测试，在模拟真实运动场景（包括30°-150°范围内的曲率变化）下，传感器信号漂移率仅为0.17%，远优于行业标准0.5%的要求。

技术经济性分析表明，该传感器在规模化生产中具有显著优势。采用卷对卷印刷工艺，使单位面积成本降低至$0.15/m2，检测频率可达500Hz。实测数据显示，在连续工作1000小时后，传感器灵敏度仅下降0.3%，这为长期监测设备提供了可靠保障。与现有解决方案相比，其综合成本可降低40%-60%，同时性能指标提升2-3倍。

在应用拓展方面，研究团队已实现三个突破性应用：1）医疗康复领域，与步态分析系统结合，成功检测到0.1°的关节角度变化，为脑机接口和假肢控制提供了新方案；2）工业检测领域，开发出基于该传感器的智能巡检手套，可实时监测设备表面0.02mm级的形变；3）智能穿戴领域，集成在智能手表中的曲率传感器，成功实现了0.5mm精度的腕部扭转检测，为运动健康监测开辟新路径。

未来技术路线规划显示，研究团队计划在三个方向进行深化：1）材料创新，研发具有负热膨胀系数（CTE）的复合材料，可将温度自补偿范围扩展至±100°C；2）结构优化，通过引入拓扑优化算法，使传感器在保持现有精度的同时，厚度进一步缩减至0.2mm；3）系统集成，开发多模态传感融合算法，将曲率、应变、压力等参数整合处理，提升复杂场景下的应用可靠性。

该研究为柔性传感器的工程化应用提供了重要参考。通过结构创新实现性能突破，同时保持与现有制造工艺的兼容性，这是推动柔性电子产业发展的关键。实验数据表明，在医疗康复设备中应用，可使运动捕捉精度从现有的0.5°提升至0.1°，这为神经损伤患者的康复训练提供了技术支持。在工业领域，预计可减少设备故障检测时间60%以上，显著提升生产效率。

总之，本研究成功突破了柔性曲率传感器领域的关键技术瓶颈，其创新性的结构设计、材料选型与制造工艺，不仅为可穿戴设备提供了高性能解决方案，更为智能机器人、医疗康复设备等领域开辟了新的技术路径。相关研究成果已申请发明专利8项，实用新型专利5项，相关技术标准正在制定中，预计在3年内可实现产业化应用。