一、研究背景

智能家居控制系統(tǒng)（SHCS）中的人機交互（HCI）界面是人機信息交互與控制的核心，但現(xiàn)有界面因信息采集靜態(tài)單一，存在顯著安全漏洞。傳統(tǒng)應(yīng)力傳感器面臨性能權(quán)衡難題：電容/壓阻式傳感器空間分辨率低（多為毫米/厘米級）、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本高；機械發(fā)光（ML）傳感器雖具備高空間分辨率和分布式檢測優(yōu)勢，但低壓力檢測精度不足、穩(wěn)定性差，難以媲美電學(xué)傳感器性能。因此，開發(fā)兼具高分辨率、高穩(wěn)定性、低閾值且安全可靠的多模態(tài)傳感器，成為突破智能家居交互瓶頸的關(guān)鍵需求。

二、研究亮點

1. 電容模式精準檢測應(yīng)力大小，ML模式可視化應(yīng)力分布（空間分辨率達200 μm），兼具電學(xué)傳感器的高穩(wěn)定性與光學(xué)傳感器的高分辨率優(yōu)勢。

2. 10,000次循環(huán)測試信號波動±0.3%，環(huán)境溫濕度（20%-90% RH、20-80℃）變化下輸出波動<3%；響應(yīng)/恢復(fù)時間分別為36 ms/188 ms，ML觸發(fā)閾值（0.01 MPa）遠低于傳統(tǒng)ZnS:Mn2?材料。

3. 融合絲網(wǎng)印刷、刮涂、3D印刷技術(shù)，實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體化制備，ML墨水印刷分辨率達當前同類最高水平，適配規(guī)?；a(chǎn)。

4. 結(jié)合光電信號與SVM算法，應(yīng)力分布識別準確率達98.5%，可通過足跡形狀+壓力大小雙重特征實現(xiàn)身份識別，解決單一特征交互的安全隱患。

三、研究內(nèi)容

1. 高性能ML墨水制備

合成粒徑<10 μm的ZnS:Mn2?機械發(fā)光粉末，與PDMS、納米SiO?復(fù)合，經(jīng)輥壓分散工藝解決團聚問題，制備出具備高分辨率印刷能力（線寬<100 μm）的ML墨水，應(yīng)力檢測閾值低至0.01 MPa。

2. 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計與全印刷制備

通過2D（絲網(wǎng)印刷）與3D印刷技術(shù)集成電容式壓力傳感器（CPS）與ML傳感器，構(gòu)建對稱多層結(jié)構(gòu)——AgNWs透明電極（絲網(wǎng)印刷）、PDMS保護層（刮涂）、ML錐狀微結(jié)構(gòu)陣列（3D印刷，兼作CPS介電層），實現(xiàn)全印刷低成本制造。

3. 性能優(yōu)化與機理驗證

優(yōu)化陣列間距（1.0 mm）和錐狀單元頂角（51°），通過COMSOL有限元模擬驗證微結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中效應(yīng)；系統(tǒng)表征傳感器的電容響應(yīng)、發(fā)光強度、環(huán)境穩(wěn)定性（溫濕度）及循環(huán)耐久性（10,000次循環(huán)）。

4. 機器學(xué)習(xí)與應(yīng)用驗證

采集4類應(yīng)力分布的1640組訓(xùn)練樣本和410組驗證樣本，基于支持向量機（SVM）算法實現(xiàn)特征識別；將傳感器應(yīng)用于智能門禁系統(tǒng)（SACS）的身份識別，以及智能家居多對一控制系統(tǒng)（MTOCS）的家電控制。

 四、總結(jié)與展望

該研究成功開發(fā)出全印刷光電雙模柔性傳感器（OEDM-FS），通過ZnS:Mn2? ML墨水優(yōu)化與全印刷工藝集成，實現(xiàn)了應(yīng)力大小與分布的精準協(xié)同感知。傳感器兼具低檢測閾值（0.01 MPa）、高空間分辨率（200 μm）、優(yōu)異穩(wěn)定性和低成本優(yōu)勢，結(jié)合機器學(xué)習(xí)算法實現(xiàn)高準確率特征識別。在智能家居場景中，成功應(yīng)用于智能門禁身份識別和多家電協(xié)同控制，80次控制測試僅1次無效操作，突破了傳統(tǒng)單模態(tài)傳感器的性能與安全局限。

文獻鏈接：http://dx.doi.org/10.1002/adma.202517426