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微电子学院卢红亮教授团队在仿皮肤柔性传感器用于盲文智能识别研究中取得进展

发布日期:2020-01-13 浏览量:


       近日,微电子学院卢红亮教授(通讯作者)和中国科学院上海硅酸盐研究所王家成研究员(通讯作者)等研制了一种仿皮肤式柔性压力传感器。基于此传感器,有望实现盲文的智能识别。该研究成果以“A Skin-Like Sensor for Intelligent Braille Recognition”为题发表在国际著名期刊Nano Energy上(doi.:10.1016/j.nanoen.2019.104346,IF=15.548)。


       视障人士甚至盲人的信息交流是当今社会关注的热点问题。根据世界卫生组织公布的数据,全世界盲人总数约为4000万,其中中国是盲人人数最多的国家,盲文是帮助视障人士和盲人书写及阅读的一种重要的交流工具。在现有的盲文识别方法中,盲文特征点的提取通常是手工进行的,费时费力,无法保证提取特征的有效性。此外,由于盲文特征点比较法对盲文字符的分类和识别仅限于人工定义的特征点,因此识别精度往往很低,抗干扰能力也较差。


       开发一种高精度的、实用的盲文识别装置对管理盲文古籍、改善盲人心理健康、开展盲文教学具有重要意义。随着柔性电子技术的发展,可穿戴设备、仿生电子皮肤等智能传感领域逐渐成为研究者的探索热点,柔性传感技术的实现颠覆了人们对传统传感器件形态和功能的认知。电子皮肤是通过电学信号的集成与反馈来模拟人体皮肤感受外界刺激(压力、温度、湿度)的新型电子器件。


       在该研究中,基于人体皮肤结构,科研人员提出了一种仿皮肤式的柔性压力传感器,并将其应用于智能盲文识别。该传感器由三个主要部分组成,分别对应于人体皮肤的三个部分(表皮、真皮和皮下组织)。以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基底的随机高斯分布(RGD)棘突,以Ti2C-MXene多层膜为中间导电填料,以商用聚酰亚胺(PI)基叉指电极为基底。利用COMSOL多物理模拟和密度泛函理论计算,阐明了RGD棘突和Ti2C膜在柔性触觉传感器中的作用机理。该传感器灵敏度可达507 kPa−1。此外,本研究首次采用随机决策森林算法,利用这种柔性触觉传感器实现了盲文实时有效的智能识别。


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图1. 仿皮肤式传感器的设计概念和合成过程

 

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图2. 随机高斯分布棘突的力感知机制

 

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图3. Ti2C-MXene的表征及作用机理

 

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图4. 仿皮肤式传感器阵列在地形扫描仪中的应用

 

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图5. 基于随机森林算法的传感器阵列实现盲文实时识别


       未来,该研究团队将进一步开展大面积、高灵敏、高分辨、自供能传感器件的研究应用,努力实现柔性传感器件的产业化、实用化。这将有助于推动机器人、可穿戴领域的快速发展。