[发明专利]一种数据驱动的水凝胶压力分布成像系统

说明书

本发明公开了一种数据驱动的水凝胶压力分布成像系统，以薄层导电水凝胶材料作为压力敏感元件，利用水凝胶的电阻抗分布随外界压力的变化反映外部施加的压力分布，通过依次在薄层导电水凝胶边界的不同位置施加外部驱动电流，并测量水凝胶的边界电压响应，利用机器学习策略估计导电水凝胶的压力分布。压力分布重建是借鉴电阻抗断层成像原理，结合机器学习策略实现；本发明公开的压力分布成像系统只需在导电薄层导电水凝胶外围放置适当个数的电极，就能够实现整片导电水凝胶区域的压力分布成像，导电水凝胶区域无需布线，为多点触摸传感、大面积高时空分辨率的压力分布传感提供了一种切实可行的工具。

技术领域

本发明涉及一种压力分布测量系统，具体涉及一种数据驱动的水凝胶压力分布成像系统。

背景技术

未来的智能设备依赖各种传感器。其中，压力传感器是常见的一种传感器，传统的基于压电陶瓷的压力传感器以及薄膜对于可穿戴设备的应用，尤其柔性欠佳，存在长期佩戴不够舒适等问题。

水凝胶是一种极具可穿戴优势的材料，近年来，研究人员开发出了基于水凝胶的压力传感器，通常利用导电水凝胶与介质层形成平板电容器结构实现压力的传感。这类水凝胶压力传感器件往往只能实现单点的压力检测，为了实现多点压力分布的测量，目前常见方案是将多个单点水凝胶压力传感器引线布置成阵列，而提高分辨率意味着传感区域的附加线路也会更加复杂，这会导致压力分布测量的分辨率受限。

发明内容

本发明针对上述问题以及现有技术的不足，公开了一种数据驱动的水凝胶压力分布成像系统。本发明以薄层导电水凝胶材料作为感受压力的敏感元件，利用水凝胶的电阻抗分布随外界压力的变化反映外部施加的压力分布，通过在边界不同位置施加外部驱动电流并测量导电水凝胶的边界电压响应，利用机器学习策略估计导电水凝胶的压力分布。该系统基于电阻抗断层成像原理，并结合人工神经网络进行图像重建，只需在导电薄层导电水凝胶外围放置电极即可实现整片区域的压力分布成像，附加线路少，为可穿戴电子皮肤多点触摸传感、大面积压力分布传感提供了一种切实可行的方案。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案如下：

所述的水凝胶压力成像系统由水凝胶压力传感模块M1、测量模块M2、压力分布重建模块M3构成。

水凝胶压力传感模块M1是感受压力分布的传感模块，包含薄层导电水凝胶和围绕薄层导电水凝胶边界分布的2^N(N＝3，4，5，...，10)个复合电极E_i(i＝1，2，3...2^N)组成；其中，导电水凝胶由水凝胶基质和导电填料合成，其内部的三维导电网络结构在受到外部压力时空间分布、网络键合会发生变化，导致电阻抗的变化，从而实现压力传感。其中，水凝胶基质由聚丙烯酰胺水凝胶、聚丙烯酸水凝胶、海藻酸钠水凝胶、壳聚糖水凝胶、琼脂水凝胶、葡甘聚糖水凝胶中的一种或多种组成；导电填料由离子导电材料、碳纳米管、石墨烯、导电聚合物、金属纳米线中的一种或多种组成；其中，离子导电材料包括盐酸、硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾、氯化钠、氯化锂、氯化铁、硫酸铵中的一种或多种；导电聚合物包括聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩中的一种或多种。

围绕导电水凝胶边缘分布的每个复合电极E_i都由一个激励电极和一个测量电极共同组成，复合电极整体呈半圆形平面状，激励电极区与测量电极区都以半圆形平面的几何对称轴为中心呈对称分布，激励电极区面积一般大于测量电极区面积，两电极区表面都镀金以防止氧化腐蚀。

测量模块M2负责测量导电水凝胶压力传感模块M1的阻抗变化，由电流激励模块M21、激励电极选通模块M22、控制模块M23、测量电极选通模块M24和电压采集模块M25组成，通过复合电极向导电水凝胶边界施加激励并测量不同边界位置的响应，得到当前导电水凝胶所受压力下的一组响应信号序列S^*，S^*是长度为2^N×2^N的一维向量，进而将S^*输出至压力分布重建模块M3，测量得到S^*的具体过程为：