一、突破傳統(tǒng)瓶頸：全新 STS 系統(tǒng)開辟技術(shù)新路徑

傳統(tǒng)人體運(yùn)動監(jiān)測設(shè)備長期受困于體積大（通常超 10 cm3）、剛性高的短板，難以緊密貼合肘關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)等動態(tài)關(guān)節(jié)，導(dǎo)致 1° 級細(xì)微動作監(jiān)測精度不足，無法滿足日常健康管理的 “無感 + 精準(zhǔn)” 需求。針對這一行業(yè)痛點(diǎn)，近日，嘉善復(fù)旦研究院作為第一單位，聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等團(tuán)隊(duì)在國際頂刊《Advanced Functional Materials》（DOI: 10.1002/adfm.202514646）發(fā)表重要成果 —— 成功研發(fā) “深度學(xué)習(xí)賦能的自供能可拉伸摩擦電傳感器（STS）系統(tǒng)”，為智能姿態(tài)監(jiān)測及主動健康管理領(lǐng)域，提供了兼具高精度、高耐用性與場景適配性的全新技術(shù)路徑（圖1）。

圖1 可穿戴STS 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與工作原理

二、性能驚艷：1° 精度 + 10 萬次耐用

團(tuán)隊(duì)通過MXene 分層協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵突破：將MXene納米片精準(zhǔn)集成至傳感器的電極層與摩擦電層 —— 電極層中 0.5 wt.% MXene 優(yōu)化負(fù)載可使輸出電壓從 110 V 提升至 138 V，加速電荷傳輸；摩擦電層中 9 wt.% MXene 摻雜則進(jìn)一步將電壓提升至 165 V，依托其強(qiáng)電負(fù)性（含豐富─F/─O 官能團(tuán)）放大摩擦電荷生成效率。二者協(xié)同作用下，STS 實(shí)現(xiàn)1° 角分辨率與 0.56 V/° 角度靈敏度，性能顯著優(yōu)于現(xiàn)有摩擦電角度傳感器 （圖2）。

圖2 STS基本角度傳感特性表征

更值得關(guān)注的是其超強(qiáng)耐用性與柔性適配性：即便經(jīng)歷 10 萬次循環(huán)拉伸測試，STS 仍能維持穩(wěn)定輸出，能可靠貼合人體關(guān)節(jié)動態(tài)活動。這一性能在圖 3 中得到系統(tǒng)驗(yàn)證：通過有限元模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)合，清晰解析 “接觸起電 - 靜電感應(yīng)” 傳感機(jī)制，外部位移下電勢變化與實(shí)際信號高度吻合；100% 應(yīng)變單 / 雙軸拉伸測試中，輸出電壓穩(wěn)定保持；50 N 載荷下經(jīng) 10 萬次循環(huán)仍無明顯性能退化，證明STS整個(gè)器件的穩(wěn)定耐用性。此外，其能量收集能力同樣亮眼：輸出功率達(dá) 1.6 W/m2，是未添加 MXene 器件的 2 倍，不僅能點(diǎn)亮 48 串 “JSFD” 字符 LED，為無外接電源場景下的可穿戴姿態(tài)監(jiān)測，夯實(shí)了自驅(qū)動技術(shù)基礎(chǔ)（圖 3）。

圖3 STS器件的基本電學(xué)性能

三、場景落地：從 AR 健身教練到頸椎健康保鏢

依托硬核性能，STS 系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)多場景 “監(jiān)測 - 反饋” 閉環(huán)落地，讓智能姿態(tài)管理走進(jìn)日常：

（1）健身康復(fù)：AR 實(shí)時(shí)矯正動作：將 STS 貼附于肘關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)，與 Unity 開發(fā)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）虛擬界面聯(lián)動 —— 傳感器實(shí)時(shí)捕捉關(guān)節(jié)彎曲角度，通過虛擬 avatar 同步反饋動作標(biāo)準(zhǔn)度：當(dāng)手臂垂直彎曲角度不足時(shí)，界面提示 “Not good”；角度達(dá)標(biāo)時(shí)更新為 “Nice”；精準(zhǔn)匹配預(yù)設(shè)動作則顯示 “Perfect”，如同私人教練實(shí)時(shí)指導(dǎo)，大幅提升訓(xùn)練科學(xué)性（圖4）。

圖4 AR健身實(shí)時(shí)監(jiān)測與動作反饋

（2）頸椎健康：14 種姿態(tài)智能預(yù)警：：團(tuán)隊(duì)針對性開發(fā)2×2 十字形可拉伸摩擦電傳感器陣列（STSA），創(chuàng)新引入圖案化屏蔽層（PSL）并接地，有效抑制非傳感區(qū)域信號串?dāng)_，可精準(zhǔn)識別低頭、轉(zhuǎn)頭、側(cè)傾等頸椎細(xì)微姿態(tài)。一旦檢測到超閾值疲勞姿勢（如持續(xù)低頭超 30 秒），手機(jī)端會同步觸發(fā)彈窗與聲音提醒，及時(shí)規(guī)避頸椎勞損風(fēng)險(xiǎn)。目前，團(tuán)隊(duì)已將訓(xùn)練完成的 1D 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（1D-CNN）模型，通過 TorchScript 格式轉(zhuǎn)換部署至智能手機(jī)端，實(shí)現(xiàn)移動端實(shí)時(shí)推理 —— 對 14 種頸椎姿態(tài)的識別準(zhǔn)確率達(dá)98.7%，真正構(gòu)建 “實(shí)時(shí)監(jiān)測 - 智能識別 - 即時(shí)預(yù)警” 的閉環(huán)管理（圖5）。

圖5深度學(xué)習(xí)賦能的可拉伸摩擦電傳感器陣列（STSA）系統(tǒng)智能識別

嘉善復(fù)旦研究院智能觸覺傳感團(tuán)隊(duì)，長期聚焦 “柔性電子 + 智能感知” 交叉研究領(lǐng)域，已構(gòu)建 “傳感硬件-信號處理-智能反饋” 一體化技術(shù)體系。團(tuán)隊(duì)依托產(chǎn)學(xué)研協(xié)同平臺，可面向消費(fèi)電子（如可穿戴健康設(shè)備）、工業(yè)機(jī)器人（如柔性觸覺抓手）、醫(yī)療健康（如康復(fù)訓(xùn)練監(jiān)測）等領(lǐng)域，提供定制化傳感解決方案，開展聯(lián)合攻關(guān)與成果轉(zhuǎn)化合作，助力多行業(yè)實(shí)現(xiàn)智能感知升級，用技術(shù)創(chuàng)新守護(hù)民生健康與產(chǎn)業(yè)升級。

來源：嘉善復(fù)旦研究院