基于高分子功能敏感材料手勢識別觸覺傳感器與性能優勢

李 潔

(西安鐵路職業技術學院,陜西西安 710032)

手語是聾啞人交際、交流的一種手的語言。通常情況下,由于非聾啞人士很少進行手語語言學習,導致手語這一語言僅能供聾啞人士群體內部使用,大大縮小了手語作為一種語言的應用場景,對聾啞人士擴大交際、交流與學習范圍存在較大的阻礙。手語手勢識別技術的發展為聾啞人群體得以實現手語文字化、語音化提供了可能。由于手語手勢動作復雜且需表述內容多樣化,手語手勢識別硬件設備搭建工作難度較高。

高分子功能材料是一類可用于工業和技術領域,具備光、電、磁、聲、熱等特性的高分子材料,如感光高分子、導電高分子、光電轉換高分子、醫用高分子、高分子催化劑等,又可稱為功能高分子[1]。利用高分子功能材料構建的具備柔性可拉伸功能的傳感器設備,是當前手語手勢識別觸覺傳感器與硬件設備加工領域最新研究方向之一。本文研究旨在梳理高分子功能材料在手語手勢識別領域中的應用價值,為相關領域材料應用提供理論借鑒。

1 手語手勢識別與觸覺傳感器

1.1 手語手勢識別

手語手勢識別技術是一種基于動態手勢識別技術基礎上發展而來的新型人機交互工具,主要應用場景為聾啞人士與外界的雙向即時溝通。傳統的手語手勢識別手段,是利用可穿戴設備(如手語數據手套)、視頻識別設備、動態手勢識別算法等進行數據采集、識別、分析和輸出的過程。然而,傳統的手語手勢識別體系系統龐大、使用流程復雜、成本高且容易受光照等外部環境的影響,實際普及程度并不高。

有關手語手勢識別領域研究多集中在算法、軟件視角,如陳甜甜等[2]對基于深度信息的動態手勢識別技術進行綜述,從算法角度對提高動態手勢識別效果方法進行了研究；張淑軍等[3]同樣以深度學習這一算法發展視角對手語識別系統等的發展進行研究,得到了基于深度學習的連續語句手語識別模型。本文認為,手語手勢識別系統的觸覺傳感器材料選擇、設備構成與優化同樣是除算法外影響系統工作效率、使用舒適性以及普及程度的重要環節,應針對其中最關鍵的觸覺傳感器發展進行針對性研究。

1.2 觸覺傳感器

觸覺是接觸、滑動、壓覺等機械刺激的總稱,如人類皮膚對冷熱、痛癢、光滑或粗糙的感受等,觸覺通常是定性而非定量的。觸覺傳感器是一種利用現代材料傳感特性,模仿人類或其他生物皮膚,將溫度、濕度、力等感覺同時進行定性、定量表達的傳感設備。觸覺傳感器的主要功能有:檢測,對操作對象的狀態、傳感器接觸狀態、操作對象的物理性質進行檢測等；識別,在檢測的基礎上對操作對象的各類型物理特征如形狀、大小、剛度等進行分類識別等。

敏感材料主要指的是能夠感知電、光、聲、力等物化生量微小變化,并能夠根據感知量的變化量而表現出明顯特征變化的一類材料。敏感材料是觸覺傳感器核心識別原件,對操作對象及外界信息進行采集的主要工作均由敏感材料完成。李法利等[4]針對彈性敏感材料與柔性電子技術進行分析,認為敏感材料是保證設計出與人體神經直接通信的觸覺傳感器設備的根本。本文通過總結歸納,得到圖1 所示敏感材料的分類情況。

圖1 敏感材料分類Fig.1 Classification of sensitive materials

2 手語手勢識別系統

2.1 基本架構

現階段的手語手勢識別系統主要研究方向分軟件算法與硬件傳感器兩部分。軟件算法方面,側重于研究對手語、手勢動作特征量的提取、模版制作以及特征識別,不是本文研究重點。硬件傳感器方面,手語手勢識別領域重點多集中在利用數據手套、微處理器等對手語手勢進行識別方面[5]。圖2 所示為一典型基于數據手套的手語識別系統工作流程。

圖2 基于數據手套的手語識別系統工作流程Fig.2 Workflow of sign language recognition system based on data gloves

2.2 工作流程

數據手套包含多種傳感器,主要負責手語手語的識別以及姿態信息的采集。數據手套中的各類型傳感器能夠實時采集聾啞人在使用手語進行交流時,手勢在空間中的運動狀態、軌跡信息以及手語姿態變化時手掌、手指彎曲度等信息。觸覺傳感器的工作狀態、效率主要受其中敏感元件性能、種類等的影響,而敏感元件中最為核心部件即敏感材料的發展基本決定了數據手套形態、手語手勢識別觸覺傳感器的性能等。

3 高分子功能材料手語手勢識別觸覺傳感器

3.1 性能優勢

由于數據手套在進行手語手勢識別時需要對手掌、手指彎曲等信息進行采集,因而數據手套的柔韌性、靈活性至關重要。然而,一般半導體材料、無機材料通常硬度較高,形變難度較大或形變會對手勢識別產生一定的影響。在數據手套誕生初期往往需要加工成不規則體型或者集成較多的傳感器模塊,因此數據手套多體型較大且傳感誤差較大。高分子功能材料的出現是數據手套繼利用金屬纖維、納米線等進行柔性應變傳感器加工之后的另一種柔性拉伸傳感器導電材料。高分子功能材料敏感材料具有質量輕、柔韌性強、電學特征優異等優勢,可利用高分子敏感材料與彈性聚合物進行混用制備觸覺傳感器敏感元件,其逐漸成為手語手勢識別領域最佳的元器件制備原料之一。

3.2 觸覺傳感器常用高分子敏感材料與集成技術

3.2.1 導電材料

Du 等[6]對新加坡國立大學有關柔性拉伸傳感器的敏感材料創新研究進行總結,該學校通過將氧化石墨烯進行還原,得到了可用于手勢識別觸覺傳感器敏感元件加工的柔性拉伸導電材料,并進行了相關實驗。除石墨烯外,導電聚合物聚苯胺、聚苯乙烯等同樣是制備觸覺傳感器導電材料及敏感材料的重要高分子材料,其中聚苯乙烯因同時具備較高的透明性和導電性被廣泛應用于與其他高分子材料聯合制備各類型傳感器。利用聚苯乙烯與石墨烯、納米材料聯合制備的導電材料擁有明顯優于一般傳統導線的導電性能、可重復多次使用以及穩定性能。

3.2.2 基底材料

對基于數據手套的手語手勢識別系統而言,傳感器能夠實現大于50%的拉伸應變,是適應變化多樣的手語語言需求的材料屬性硬性需求,高分子功能材料為實現傳感器這一設計需求提供了基礎。通常在選擇高分子觸覺傳感器基底材料時,會選擇硅橡膠、聚乙烯以及聚氨酯等。其中以硅橡膠作為觸覺傳感器基底材料,能夠幫助柔性傳感器提高彈性；聚二甲基硅氧烷在固化以后作為基底材料,能夠形成透明且性能穩定的薄膜,在與敏感材料進行并用過程中多以封裝層、絕緣層等形式出現；聚乙烯、聚氨酯等高分子復合材料能夠以絲紡法轉化成絲,由于材料本身具備高絕緣性能、化學穩定性能以及較高的拉伸率,在應用于觸覺傳感器基地材料中時,能夠幫助傳感器獲得較高的拉伸范圍,可以實時、高效監測手語手勢中的各種運動狀態。

3.2.3 集成技術

集成技術,是實現柔性可拉伸手語手勢識別觸覺傳感器基底材料、導電材料以及其他材料之間進行融合的關鍵環節。一般金屬纖維等材料加工而成的柔性傳感器雖然能夠提供一定的彎曲靈敏度,但并不具備足夠的拉伸特性或拉伸范圍較小,制約了柔性拉伸傳感器的應用范圍。在手語手勢識別這種指部動作復雜且需要較高的材料可拉伸性能要求下,將高分子功能材料與織物進行結合,利用集成技術使復合材料具備更多新功能,成為高分子功能材料在手語手勢識別觸覺傳感器領域新的應用場景。Rahimi R 等[7]利用集成技術,通過碳化以后聚酰亞胺復合材料與柔性基體進行集成,得到了一種低成本、可拉伸性能優異的柔性觸覺傳感器敏感材料,應用該敏感材料加工而成的觸覺傳感器拉伸率超過100%,遠遠超過一般柔性敏感材料或一般高分子功能材料。該材料可以應用于手語手勢識別中手指、手掌等運動狀態的實時監控,應變系數高達20000。

3.3 高分子手語手勢識別觸覺傳感器應用分類

3.3.1 壓阻式觸覺傳感器

壓阻式觸覺傳感器是一種利用彈性體材料電阻率隨壓力大小變化而變化的性質制成的,能夠充分反映接觸面壓力大小的觸覺傳感器。碳纖維是最早應用于壓阻式觸覺傳感器制備的高分子功能材料,早在1981 年便有相關科研人員通過在金屬電極中加入碳纖維和碳氈來實現接觸面壓力信號至電信號的轉變。張會明等[8]利用石墨烯薄膜材料作為新型壓阻式觸覺傳感器的敏感材料,設計出一種具有觸點層、壓阻層和柔性電極的新型觸覺傳感器,該觸覺傳感器靈敏度高且具備優良的力學性能。

3.3.2 電容式觸覺傳感器

在頻率、電壓等其他數值不變條件下,電容量數值的大小會因為電容電極板相對位置的變化而變化。電容式觸覺傳感器的工作原理,正是利用這一變化規律,對因外部壓力而改變的電容電極板間相對位置帶來的電容量數值變化進行檢測,從而獲得外部壓力信息的方法。有學者利用聚對苯二甲酸乙二醇酯材料制作電極層,以硅橡膠作為柔性基底構建了一種電容式觸覺傳感器,該傳感器能夠實現類似于人類皮膚的觸覺感知能力,是一種非常適合應用于手語手勢識別觸覺傳感器領域的高分子電容式觸覺傳感器。

3.3.3 壓電式觸覺傳感器

壓電式觸覺傳感器中的轉換元件是力敏元件,在受到外力作用時力敏元件中的晶體內部會產生電極化現象,此時力敏元件內部兩個相對的表面會產生極性相反的電荷；在受到外力變為零以后,該晶體中的極性相反電荷消失。聚偏氟乙烯是當前廣泛應用于壓電式觸覺傳感器制備領域的高分子復合材料,Yu 等[9]利用聚偏氟乙烯制備出一種能夠用于測量手語手勢識別時三維動態力分布的柔性壓電觸覺傳感器,具有良好的外部壓力感應靈活性以及較低的耦合效應,能夠獲得較為線性的觸覺傳感效果。

4 結語

綜上,我國是當前全球聽力殘疾患者數量最多的國家,截至2019 年底國內含有聽力殘疾、殘弱患者數量高達2780 萬人,其中0～6 歲聽力殘疾兒童數量約13.7 萬,每年新生聽障兒童2～3 萬人。利用高分子功能材料加工而成的手語手勢識別觸覺傳感器,同時具備一般靈敏材料無法比擬的質輕、柔韌性強、電學特征優異等優勢。高分子功能材料對于手語手勢識別領域硬件設備的發展提供了巨大的應用價值,能夠有效提高以數據手套為代表的手語手勢識別可穿戴設備的識別效率、穿戴舒適性。