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一种高度耐用且抗紫外线的石墨烯基针织纺织品传感套,用于人体关节角度监测和手势区分
出处:材料分析与应用  录入日期:2024-06-07  点击数:145

  1成果简介
  基于纺织品的柔性应变传感器因其重量轻、柔性好、佩戴舒适而受到广泛关注。然而,将纺织品应变传感器集成到可穿戴传感设备所面临的挑战包括:需要出色的传感性能、长期监测的稳定性,以及实现全面监测所需的快速、便捷的集成过程。本文,帝国理工学院Yi Zhou、Rebecca Stewart等研究人员在《ADVANCED INTELLIGENT SYSTEMS》期刊发表名为“A Highly Durable and UV-Resistant Graphene-Based Knitted Textile Sensing Sleeve for Human Joint Angle Monitoring and Gesture Differentiation”的论文,研究介绍的可扩展制造技术通过将可定制的石墨烯传感网络集成到针织结构中,从而制造出用于精确运动检测和区分的传感套筒,解决了这些难题。
  在受试者内和受试者间的研究中,传感套筒在角度估计和复杂关节运动识别方面的精度评估了其性能和实际应用潜力。在受试者内部分析中,传感套筒在 20 名受试者的五种不同膝关节活动中仅表现出 2.34° 的角度误差,在膝关节和肘关节的手势分类中,传感套筒的准确率分别高达 94.1% 和 96.1%。在受试者之间的分析中,传感套筒的角度误差为 4.21°,膝关节和肘关节手势分类的准确率分别高达 79.9% 和 85.5%。为了说明其潜在的应用价值,我们还展示了一个与传感套筒兼容的活动引导用户界面,用于家庭医疗保健应用中的人体运动监测。
  2图文导读 


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  图1、开发基于石墨烯的针织传感可穿戴设备


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  图2、石墨烯基TPU/纺织传感织物的表征


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  图3、石墨烯基TPU/纺织品传感织物的传感性能


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  图4、实验方案图示(左)。从感应可穿戴设备的五个传感器 (R1–R5) 记录的相关信号示例,并在其中一名参与者(中间)上收集 MCS。5 个独立传感器、3 个中央传感器和所有 5 个传感器以及 R 的膝关节角度估计的 RMSE 和 MAE2在受试者内部评估中使用 RFR 模型(右)。


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  图5、使用感应肘套进行肘部手势识别


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  图6.活动引导的用户界面。
  3小结
  总之,使用数字编织、激光切割、薄膜涂层和热转印工艺的组合,开发了一种新型传感系统。该技术能够将可定制的基于石墨烯的传感网络精确集成到针织结构中,从而创建能够精确运动检测和区分的传感套管。单个基于石墨烯的复合材料传感器具有出色的拉伸性,在293%的极限应变下显示出288的高规格系数(GF)。该传感器在长期暴露于紫外线和多次洗涤循环后也表现出出色的稳定性,展示了其在实际可穿戴监测应用中的潜力。在集成到完整的可穿戴传感系统中后,传感套管在监测各种关节运动方面表现出非凡的精度。它表明,在 20 名参与者的五种不同膝关节活动中,角度误差为 2.34°,优于大多数报告的传感系统。当应用于运动区分时,传感套筒在膝盖和肘部的手势分类中分别显示出高达 94.1% 和 96.1% 的准确率。在泛化能力评估中,传感套管表现出4.21°的角度误差,在膝盖和肘部的手势分类中分别表现出高达79.9%和85.5%的准确率。此外,还提出了一个以活动为导向的用户界面,以说明传感套管如何促进家庭医疗保健应用中的人体运动监测。
  文献:


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