柔性应变传感器材料设计与制备方法在虚拟现实与人机交互数据手套应用中的最新进展综述

《Results in Engineering》：A Review of Recent Progress in Materials design and Fabrication methods of Flexible Strain Sensors used in Data Gloves for Virtual Reality and Human Machine Interface Applications

　　

摘要专业翻译 本综述回顾了用于虚拟现实（Virtual Reality, VR）和机器人应用的数据手套中，柔性应变传感器在材料设计与制备方法方面的最新进展。首先，列举了重要的机电换能原理，如压阻式、压容式和压电式柔性应变传感器。随后，报道了用于制造数据手套中柔性应变传感器的最新材料设计和制备方法。主要的材料设计包括将导电填料混合到弹性体基体中制成的导电弹性体复合材料（Conductive Elastomer Composites, CECs），制备方法则涵盖旋涂、模铸、喷涂和喷墨打印等。之后，报告了应变传感器的特性参数，如应变系数（Gauge Factor, GF）、传感器输出稳定性、工作耐久性、响应与恢复时间以及迟滞现象。接着，介绍了传感器输出信号的读取/采集电路（模拟前端）、信号调理电路以及模数转换电路。最后，对商用数据手套进行了调研并列表呈现。在结尾部分，报告了柔性应变传感器的典型应用。

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研究背景与问题

随着虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和元宇宙技术的快速发展，实现精准的手势识别与触觉交互成为关键技术挑战。数据手套作为连接用户与虚拟世界的核心交互设备，其性能高度依赖于所集成的传感技术。传统的刚性传感器难以贴合手部复杂的曲面运动，限制了穿戴舒适度与信号保真度。因此，开发兼具柔韧性、高灵敏度、宽应变检测范围和良好稳定性的柔性应变传感器成为研究热点。现有研究虽已取得一定进展，但在如何平衡传感器的灵敏度（即应变系数GF）、拉伸性、耐久性以及简化制备工艺等方面仍存在不足，亟需对材料体系与制备策略进行系统性梳理与优化。

研究内容与意义

研究人员针对上述问题，开展了一项系统性的文献综述研究。通过检索Web of Science、Scopus、IEEE Xplore和ScienceDirect四大数据库（2020-2026年），筛选并分析了关于柔性应变传感器集成于数据手套的相关文献。研究的核心意义在于：全面比较了不同导电填料、弹性体基材及制备工艺对传感器性能的影响；系统梳理了基于柔性应变传感器的数据手套架构设计；并对现有的商用VR数据手套技术进行了批判性调查。这项工作为后续开发高性能、低成本的柔性应变传感数据手套提供了清晰的路线图和理论基础，推动了其在VR交互、人机界面（HMI）、软体机器人和医疗康复等领域的应用。

主要关键技术方法

研究人员在综述中归纳了以下几个关键的技术方法：

1. 1.
   导电弹性体复合材料（CECs）制备：将导电填料分散在弹性体基体中形成传感材料。常用导电填料包括碳黑（CB）、碳纳米管（CNTs）、金属纳米线（如Ag NWs）以及二维材料（如石墨烯、MXenes）。常用弹性体基体包括聚二甲基硅氧烷（PDMS）、Ecoflex、热塑性聚氨酯（TPU）等。
2. 2.
   传感器结构设计与制备工艺：采用旋涂、模铸、喷涂和喷墨打印等方法将CECs制成薄膜或特定微结构（如微柱阵列）的传感器件。
3. 3.
   信号处理与系统集成：设计了包含模拟前端（AFE）、信号调理电路和模数转换电路的读出电路，用于将传感器电阻或电容变化转换为可处理的数字信号，并集成至数据手套系统中。
4. 4.
   机器学习算法应用：在部分研究中，利用卷积神经网络（CNN）等算法对传感器输出的多路信号进行分类，以实现对不同手势的高精度识别。

研究结果

2.1. 压阻式应变传感器

研究人员指出，压阻式传感器因其结构稳健、成本低廉、易于制备和读出电路简单而被广泛使用。其工作原理是基于材料在机械变形下电阻率（ρ）或几何尺寸（截面积A和长度L）的变化。研究发现，通过将单壁碳纳米管（SWCNTs）与PDMS复合，可制得应变系数（GF）为73、工作范围达70%的传感器，并在3000次循环后保持稳定，可用于手指弯曲跟踪。将MXenes与多壁碳纳米管（MWCNTs）复合，获得了高达646的GF（40%应变下），结合CNN算法实现了手势分类。利用多孔热塑性聚氨酯（TPU）-碳黑（CB）-石墨烯纳米颗粒（GNPs）复合材料，通过水蒸气诱导相分离法，实现了超高GF（5902）和极宽的应变范围（327%），适用于人体关节运动监测。此外，使用SEBS/MWCNTs、硅橡胶/CNTs等复合材料也分别获得了不同量级的高GF值（72至2845），证明了材料选择与结构设计对提升传感器灵敏度和工作范围的关键作用。

2.2. 压容式应变传感器

研究人员阐述了压容式传感器的工作原理，即基于平行板电容器在受力时电极间距（D）、有效面积（A）和介电层介电常数（ε）的变化导致电容改变。研究人员提到了一种基于PDMS-SWCNTs复合材料的压容-压阻混合型柔性应变传感器，该传感器采用导电微柱阵列结构，在低压区域展现出高灵敏度（10?? kPa?1）。这类传感器在需要同时感知压力与形变的场景中具有独特优势。

总结与结论

本综述系统性地回顾了用于VR和人机交互数据手套的柔性应变传感器在材料、机理、制备及应用方面的最新进展。研究强调了压阻式传感器因其综合性能优势在当前应用中的主导地位。通过对各类导电填料（碳系、金属系、二维材料）、弹性体基体（PDMS、TPU、Ecoflex等）以及制备方法的对比分析，明确了提升传感器性能（如GF、线性度、耐久性）的关键路径。研究结论指出，通过合理的材料复合与微观结构设计（如引入多孔结构或微柱阵列），可以显著提升传感器的应变系数和工作范围。此外，将先进的信号处理电路与机器学习算法集成到数据手套系统中，是实现复杂手势精确识别的有效方案。这些成果为下一代高性能、多功能智能数据手套的设计与商业化提供了坚实的科学依据和技术参考。