柔性电子器件凭借优异的柔顺性和可拉伸性，能完美贴合人体皮肤与各种复杂曲面，在医疗健康、人机交互、软体机器人和可穿戴设备等领域，一直是大家关注的热点。
而曲率，作为描述弯曲变形的核心物理量，是实现精准动作识别与控制的关键基础。但一直以来，现有的曲率传感器都有绕不开的痛点：
• 传统的可拉伸应变传感器：实际穿戴的时候，很容易因为皮肤和织物之间的摩擦、滑移，产生根本没法校准的误差；
• 非拉伸型的曲率传感器：虽然能测曲率，但本身没法拉伸，戴在身上又硬又不舒服，完全满足不了柔性穿戴的需求。
最近，中科院力学所的研究团队就攻克了这个难题！他们提出了一种基于波浪形对称叠层结构（Wave-shaped Symmetrical Laminated Structure, WSSLS）的可拉伸曲率传感器，不仅实现了器件的可拉伸性，还在结构层面就搞定了弯曲与拉伸信号的解耦！
这项研究成果，已经以《Stretchable curvature sensors for motion capture with bending-stretching coupling deformation》为题，发表在了国际顶级期刊《Advanced Science》上。
巧妙的对称结构，从根源搞定信号干扰
这个传感器的核心，就是这个创新的 WSSLS 结构。它由上下对称分布的波浪形金属导电层，和波浪形聚乙烯基底组成，最后通过柔性封装做成了完整的器件。
和传统的单侧波浪结构不一样，传统结构不管是拉伸还是弯曲，都会不可避免地出现弯拉耦合的响应，测出来的信号根本分不清是弯还是拉。而 WSSLS 结构，利用几何对称性和双层响应的差异，完美解决了这个问题：
• 当器件发生弯曲变形时，上下两层导电层会产生同幅值、异符号的应变响应；
• 当器件发生拉伸变形时，两层的变形是对称的，信号会相互抵消。
这样一来，最终输出的电信号，就只有弯曲的信号！完美实现了弯曲信号的纯输出，彻底把拉伸的干扰给去掉了！
可拉伸曲率传感器的结构设计、实物展示与工作原理（图来源：中科院力学所）
全新曲面光刻工艺，搞定三维结构制备难题
不过，要做出这种波浪形的三维导电结构，可不是一件容易的事。传统的方法，都是先在平面上做好金属层，再把它弯成波浪形，这样很容易让金属层产生裂纹，甚至直接失效，做出来的器件一致性和可靠性都很差。
为了搞定这个难题，研究团队开发了全新的曲面光刻（Curved Surface Lithography）工艺，把传统平面光刻和热塑成型结合了起来：
他们先利用紫外光刻系统在平面聚乙烯基底上完成高精度的光刻图案制备，再通过热压成型机对基底进行热塑成型，同时搭配磁控溅射仪完成铂金导电层的沉积，最终直接在曲面基底上，做出了没有初始应力的波浪形金属导电层。
这个方法，彻底避免了传统工艺里的裂纹和失效问题，让器件的一致性和可靠性都得到了质的提升。
理论 + 实验，全方位验证器件性能
搞定了制备，研究团队还从理论层面，把这个器件的工作原理给摸透了。他们建立了 WSSLS 的力电耦合模型，系统推导出了传感器输出信号和曲率之间的解析关系，搞清楚了不同的几何参数，会对传感器的灵敏度和弹性范围产生什么样的影响。
为了验证这个模型的准确性，他们还借助有限元分析软件完成了结构力学的模拟，模拟结果和理论分析高度一致，完美证明了这个模型是准确可靠的。
接下来，就是实验验证了。为了测试传感器的弯拉解耦特性，研究团队借助万能材料试验机对传感器进行了不同的加载测试，同时通过高精度数字源表实时采集器件的电学信号。
实验结果完全符合预期：这个传感器在弯曲加载的时候，呈现出高度线性的电学响应；而在拉伸加载的时候，输出信号几乎一点变化都没有！这就实打实证明了，它真的能把弯曲和拉伸的信号彻底解耦！
超优性能，还自带环境干扰自补偿
在后续的性能测试里，这个传感器的表现更是让人惊喜。研究团队通过万能材料试验机完成了 2000 次以上的循环加载测试，搭配数字源表的实时信号采集，验证了它的优异性能：
它不仅有超高的线性度、重复性，还有极快的动态响应，甚至能分辨低至 0.004 mm⁻¹ 的微小曲率变化！而且经过 2000 次的循环加载，它的输出信号始终保持稳定，完全没有漂移。
更厉害的是，因为这个对称结构的特性，它还自带压力和温度的自补偿能力！为了验证这一点，团队还通过压力测试平台和高低温试验箱，分别模拟了不同的压力和温度环境。结果显示，哪怕外界的压力和温度在变，传感器的曲率测量结果依然准确，完全不受干扰！
这意味着，哪怕是在复杂的日常环境里，这个传感器也能稳定工作，不用怕温度变化或者按压带来的测量误差！
实际应用：精准手势控制，误差直降 93.6%
这么好的传感器，当然要试试实际用起来怎么样！研究团队把这个传感器集成到了智能手套里，用来实时获取手指关节的曲率，进而实现手势识别。
他们还专门做了模拟测试，模拟了皮肤和织物之间的摩擦和滑移 —— 也就是我们日常戴手套的时候，最容易出现的那种干扰。结果发现，和传统的可拉伸应变传感器比起来，这个新型曲率传感器的测量误差，直接降低了 93.6%！这一下，穿戴场景下的测量可靠性，直接拉满了！
基于这个系统，研究人员还实现了对六足机器人和机械手的手势控制：戴着这个智能手套，动动手指，就能远程控制机器人完成各种复杂的动作，完美验证了它在复杂人机交互、远程操作里的应用潜力！
这项研究，不仅搞定了柔性曲率传感器的核心痛点，还给可穿戴设备、软体机器人、人机交互这些领域，提供了一个全新的高性能解决方案。未来，我们或许就能用上更精准、更舒服的智能穿戴设备，甚至用手势就能轻松控制各种智能设备啦！
这篇论文的第一作者，是力学所的研究生王泰然，通讯作者是苏业旺研究员。合作者还包括力学所的研究生徐新凯、李爽、蓝昱群、陈凯，博士后李伟，航天科技五院的王光远研究员、余快研究员，以及力学所的孙立娟副研究员。这项研究，得到了国家自然科学基金、中国科学院相关项目，以及多项重点实验室项目的支持。
