柔感萬聯——多元柔性傳感器驅動VR感知

摘要：本項目研發了一種新型柔性傳感器，其采用磁性碳基材料和鐵納米線，并結合微電子技術，具備高靈敏度、高精度的運動捕捉能力，適合應用于VR運動和健康監測領域。該傳感器具有輕便、柔軟、舒適的特性，能精確感知用戶動作，進而提升互動體驗。將傳感器集成到傳感手套中，再結合機械手進行實時反饋，這一操作驗證了傳感器在手部動作監測方面的優異性能，也確保了長時間佩戴的舒適性與穩定性。

關鍵詞：柔性傳感器；VR傳感；人機交互

1作品介紹

傳感器是近年來虛擬現實（VR）技術中的關鍵組成部分之一，被廣泛應用于運動捕捉、健康監測以及增強虛擬現實體驗。近年來，市場對柔性傳感器的需求持續增長，尤其是在VR運動和健康監測領域。傳統的VR傳感器依靠陀螺儀和加速度計捕捉用戶的運動信息，雖然可以實現基本的運動追蹤，但由于靈敏度較低、佩戴不舒適等問題，其應用受到了限制。因此，對新傳感技術的需求日益增加。

基于上述問題，本項目通過技術創新，成功研發出新一代柔性傳感器，可廣泛應用于VR運動、健康監測等領域。該傳感器創新地采用了磁性碳基材料和鐵納米線作為核心成分，結合先進的微電子技術和材料科學，具備高靈敏度、高精度的運動捕捉能力。與傳統的硬質傳感器不同，本柔性傳感器具有輕便、柔軟和高度適應性的特點，能夠精確感知用戶的微小動作變化，提供更加自然、真實的互動體驗。團隊采用的磁性碳基材料不僅具備優良的導電性能和抗干擾能力，還能有效提升傳感器的穩定性和耐用性。此外，該傳感器的設計注重舒適性，其柔性材料可緊密貼合人體皮膚，避免了傳統硬質傳感器的笨重感，讓用戶長時間佩戴也不會產生不適感。

為了測試柔性傳感器的性能，將其集成到傳感手套中，如圖1所示，并結合機械手進行實時反饋演示。傳感手套的設計考慮到舒適性和靈活性，將柔性傳感器嵌入到傳感手套中，傳感器能夠緊密貼合手部，同時長時間佩戴也舒適。將傳感器置于手指部位，能夠全面監測手部動作，包括手指彎曲、張開、捏合等。傳感手套通過ESP32無線通信模塊與機械手連接，將手部動作的數據實時傳輸給機械手，機械手根據這些數據執行相應的動作。通過機械手的運動，能夠直觀地觀察到傳感器的動作響應，從而進一步驗證傳感器在手部運動監測中的性能。

2技術原理

（1）本項目研發了高長徑比的鐵納米線復合敏感單元，采用了鐵納米線（ FeNWs）、羧甲基纖維素（CMC）、碳納米管（ CNTs）作為傳感器的復合敏感單元漿料。其中，鐵納米線采用磁場輔助原位還原法制備，能夠克服傳統原位還原法只能制備長徑比固定的鐵磁納米線的缺陷。該方法的合成路線簡單、工藝可控，反應在常溫常壓條件下進行，符合實際生產需要，適合工業化生產。所制得的鐵磁納米線具有良好的取向性，直徑小于100 nm，長度為3～10 um，長徑比高，還具有良好的柔韌性、磁性能和微波吸收性能。

（2）本柔性傳感器采用分層復合柔性織物基底，通過將PU高彈纖維與乳膠絲復合紗線加捻制成彈性包芯紗，擁有超柔性的力學性能，楊氏模量僅為0.092 MPa，遠低于人體皮膚的楊氏模量，從而表現出極好的柔軟性和彈性。

（3）本柔性傳感器采用多層微納敏感單元構筑技術構建敏感單元。首先，通過浸漬法，將柔性織物基底兩次浸漬于復合敏感單元漿料并進行干燥，從而形成穩定的導電層；隨后，將其浸漬于PEDOT：PSS溶液中，形成導電保護膜。如此一來，該柔性傳感器具備出色的穩定性，即便反復拉伸20 000次，仍然能夠保持線性穩定。

柔性傳感器的制備過程如圖2所示。

3創新點

本項目使用了特殊結構的乳膠一彈性紗來制備紗線傳感器。通過良好的浸漬過程，將兩層復合敏感單元與一層PEDOT：PSS均勻地包裹在呈螺旋結構的聚酯纖維表面。所制造的紗線傳感器具備超靈活性（0.09 MPa）、出色的應變檢測范圍（0.0250/～200%）、卓越的穩定性（gt;20 000個循環），并且在不同速率、應變范圍和樣品長度下均表現出較高的穩定性。制備好的紗線傳感器平衡了三個性能指標，并實現了穩定的感應以及與自然的相互作用。將紗線傳感器整合到傳感手套中，實現了更自然的手勢識別，并成功應用于人機交互VR領域。這項工作為VR傳感提供了創新的解決方案，有助于提高VR傳感過程中的舒適性與穩定性。

4應用前景

（1）國家政策支持

在全球范圍內，虛擬現實（VR）技術的應用前景日益廣闊，尤其是在體育、健康和教育等領域，其潛力正受到越來越多國家的重視。我國政府對于虛擬現實技術的支持力度持續加大，并將其視為數字經濟和科技創新的重要組成部分，尤其是在《“十四五”數字經濟發展規劃》和《虛擬現實與行業應用融合發展行動計劃（ 20222026）》等政策文件中，明確提出要加速推動虛擬現實技術的研發與應用。政府的政策支持為相關企業提供了強有力的推動力，助力了VR行業特別是與健康、運動相結合的細分市場的迅速崛起。在國家政策的引導下，虛擬現實被定位為新一代信息技術的前沿方向，未來將深刻改變人類的生產、生活和健康方式。國家通過加大技術創新和產業生態建設投入，不僅為VR技術的發展提供了資金支持，還在創新研發、行業標準制定和人才培養等方面出臺了扶持政策。這些政策的出臺為企業創新營造了良好的政策環境，為VR相關技術發展鋪平了道路。

（2）市場前景

在當前市場環境下，傳感器行業前景廣闊，特別是在虛擬現實（VR）與運動領域表現尤為突出。VR運動有著顯著的投資潛力，吸引了眾多投資者的目光。全球虛擬現實（VR）市場規模在2023年為251億美元，預計到2032年將增長到2 448億美元，年復合增長率（ CAGR）為28.6%。同時，運動市場也在迅速擴張，2022年其全球規模為18.8億美元，預計到2030年將增長到67.5億美元，年復合增長率為26.8%。根據國家統計局數據，我國體育健身休閑活動的總產出連年保持穩定增長，2018 2022年復合增長率為5.37%。由此看來，本項目研發的柔性傳感器擁有廣闊的市場前景。