一、突破傳統(tǒng)瓶頸：全新 STS 系統(tǒng)開辟技術新路徑

傳統(tǒng)人體運動監(jiān)測設備長期受困于體積大（通常超 10 cm3）、剛性高的短板，難以緊密貼合肘關節(jié)、膝關節(jié)等動態(tài)關節(jié)，導致 1° 級細微動作監(jiān)測精度不足，無法滿足日常健康管理的 “無感 + 精準” 需求。針對這一行業(yè)痛點，近日，嘉善復旦研究院作為第一單位，聯合復旦大學、北京航空航天大學等團隊在國際頂刊《Advanced Functional Materials》（DOI: 10.1002/adfm.202514646）發(fā)表重要成果 —— 成功研發(fā) “深度學習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域，提供了兼具高精度、高耐用性與場景適配性的全新技術路徑（圖1）。

圖1 可穿戴STS 系統(tǒng)的設計與工作原理

二、性能驚艷：1° 精度 + 10 萬次耐用

團隊通過MXene 分層協同設計實現關鍵突破：將MXene納米片精準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 摻雜則進一步將電壓提升至 165 V，依托其強電負性（含豐富─F/─O 官能團）放大摩擦電荷生成效率。二者協同作用下，STS 實現1° 角分辨率與 0.56 V/° 角度靈敏度，性能顯著優(yōu)于現有摩擦電角度傳感器 （圖2）。

圖2 STS基本角度傳感特性表征

更值得關注的是其超強耐用性與柔性適配性：即便經歷 10 萬次循環(huán)拉伸測試，STS 仍能維持穩(wěn)定輸出，能可靠貼合人體關節(jié)動態(tài)活動。這一性能在圖 3 中得到系統(tǒng)驗證：通過有限元模擬與實驗結合，清晰解析 “接觸起電 - 靜電感應” 傳感機制，外部位移下電勢變化與實際信號高度吻合；100% 應變單 / 雙軸拉伸測試中，輸出電壓穩(wěn)定保持；50 N 載荷下經 10 萬次循環(huán)仍無明顯性能退化，證明STS整個器件的穩(wěn)定耐用性。此外，其能量收集能力同樣亮眼：輸出功率達 1.6 W/m2，是未添加 MXene 器件的 2 倍，不僅能點亮 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，夯實了自驅動技術基礎（圖 3）。

圖3 STS器件的基本電學性能

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)已實現多場景 “監(jiān)測 - 反饋” 閉環(huán)落地，讓智能姿態(tài)管理走進日常：

（1）健身康復：AR 實時矯正動作：將 STS 貼附于肘關節(jié)、膝關節(jié)，與 Unity 開發(fā)的增強現實（AR）虛擬界面聯動 —— 傳感器實時捕捉關節(jié)彎曲角度，通過虛擬 avatar 同步反饋動作標準度：當手臂垂直彎曲角度不足時，界面提示 “Not good”；角度達標時更新為 “Nice”；精準匹配預設動作則顯示 “Perfect”，如同私人教練實時指導，大幅提升訓練科學性（圖4）。

圖4 AR健身實時監(jiān)測與動作反饋

（2）頸椎健康：14 種姿態(tài)智能預警：：團隊針對性開發(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)域信號串擾，可精準識別低頭、轉頭、側傾等頸椎細微姿態(tài)。一旦檢測到超閾值疲勞姿勢（如持續(xù)低頭超 30 秒），手機端會同步觸發(fā)彈窗與聲音提醒，及時規(guī)避頸椎勞損風險。目前，團隊已將訓練完成的 1D 卷積神經網絡（1D-CNN）模型，通過 TorchScript 格式轉換部署至智能手機端，實現移動端實時推理 —— 對 14 種頸椎姿態(tài)的識別準確率達98.7%，真正構建 “實時監(jiān)測 - 智能識別 - 即時預警” 的閉環(huán)管理（圖5）。

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

嘉善復旦研究院智能觸覺傳感團隊，長期聚焦 “柔性電子 + 智能感知” 交叉研究領域，已構建 “傳感硬件-信號處理-智能反饋” 一體化技術體系。團隊依托產學研協同平臺，可面向消費電子（如可穿戴健康設備）、工業(yè)機器人（如柔性觸覺抓手）、醫(yī)療健康（如康復訓練監(jiān)測）等領域，提供定制化傳感解決方案，開展聯合攻關與成果轉化合作，助力多行業(yè)實現智能感知升級，用技術創(chuàng)新守護民生健康與產業(yè)升級。

來源：嘉善復旦研究院