【儀表網 研發快訊】柔性電子器件因其優異的柔順性和可拉伸性，能夠與人體皮膚及復雜曲面穩定貼合，在醫療健康、人機交互、軟體機器人和可穿戴設備等領域展現出重要應用前景。其中，曲率作為描述彎曲變形的關鍵物理量，是實現精準動作識別與控制的重要基礎。然而，現有曲率傳感策略主要依賴可拉伸應變傳感器或非拉伸型曲率傳感器，前者在實際穿戴過程中易受摩擦與滑移干擾而產生不可校準誤差，后者則因缺乏拉伸能力而難以滿足柔性與舒適性需求。
近日，力學所研究團隊提出了一種基于波浪形對稱疊層結構(Wave-shaped Symmetrical Laminated Structure, WSSLS)的可拉伸曲率傳感器，在實現可拉伸性的同時，在結構層面有效實現了彎曲與拉伸信號的解耦。該研究成果以 “Stretchable curvature sensors for motion capture with bending-stretching coupling deformation” 為題，發表在國際期刊《Advanced Science》上。
該曲率傳感器的核心在于其創新設計的 WSSLS 結構。該結構由上下對稱分布的波浪形金屬導電層與波浪形聚乙烯基底組成，并通過柔性封裝形成整體器件(圖1)。不同于傳統單側波浪結構在拉伸或彎曲過程中不可避免地產生彎拉耦合響應，WSSLS 利用幾何對稱性與雙層響應差異，在彎曲加載時產生同幅值異符號的應變響應，而在拉伸加載時產生相互抵消的對稱變形，從而在電信號層面實現彎曲信號的純輸出(圖1d)。針對波浪形三維導電結構難以穩定制備的問題，研究團隊提出了一種曲面光刻(Curved Surface Lithography)工藝，將傳統平面光刻與熱塑成型相結合，在曲面基底上直接制備無初始應力的波浪形金屬導電層(圖1c)。該方法有效避免了先金屬成形后彎曲成波浪過程中產生的裂紋與失效問題，顯著提升了器件的一致性與可靠性。在理論分析方面，研究團隊建立了 WSSLS 的力電耦合模型，系統推導了傳感器輸出信號與曲率之間的解析關系，明確揭示了幾何參數對靈敏度和彈性范圍的影響(圖2)。有限元模擬結果與理論分析高度一致，驗證了模型的準確性與適用性。實驗結果表明，該傳感器在彎曲加載下呈現出高度線性的電學響應，而在拉伸加載下輸出信號幾乎不發生變化，充分證明了其彎拉解耦特性。在性能驗證中，該曲率傳感器展現出優異的綜合性能，包括高線性度、高重復性和快速動態響應。器件能夠分辨低至0.004 mm-1的微小曲率變化，并在 2000 次以上循環加載過程中保持穩定輸出(圖3)。同時，由于其對稱結構特性，傳感器還具備壓力和溫度自補償能力，在外界壓力和溫度變化條件下仍可維持準確的曲率測量。在應用展示方面，研究團隊將該傳感器集成至智能手套中，用于實時獲取手指關節曲率并進行手勢識別(圖4a)。在模擬皮膚-織物界面摩擦與滑移的條件下，與傳統可拉伸應變傳感器相比，該曲率傳感器的測量誤差降低了93.6%，顯著提升了穿戴場景下的可靠性(圖4b,c)。基于該系統，研究人員實現了對六足機器人和機械手的手勢控制，驗證了其在復雜人機交互與遠程操作中的應用潛力(圖4d-g)。
論文第一作者為力學所研究生王泰然，通訊作者為蘇業旺研究員。合作者包括力學所研究生徐新凱、李爽、藍昱群、陳凱、博士后李偉、航天科技五院王光遠研究員、余快研究員、力學所孫立娟副研究員。該研究得到了國家自然科學基金、中國科學院相關項目以及多項重點實驗室項目的支持。
圖1：可拉伸曲率傳感器的結構設計、實物展示與工作原理
圖2：波浪形對稱疊層結構（WSSLS）的理論建模與有限元分析
圖3：基于WSSLS的曲率傳感器電學性能表征
圖4：基于可拉伸曲率傳感器的手勢識別與機器人控制應用
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