可打印、可拉伸導(dǎo)電彈性體用于高保真監(jiān)測動(dòng)態(tài)應(yīng)變
時(shí)間：2022-08-23 09:08 來源：生物打印與再生工程 作者：admin 閱讀：次
可打印、可拉伸導(dǎo)電彈性體在可穿戴電子產(chǎn)品、軟機(jī)器人等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，常見的導(dǎo)電材料的動(dòng)態(tài)性能很少得到研究，其在監(jiān)測動(dòng)態(tài)應(yīng)變方面通常表現(xiàn)不佳，監(jiān)測到的信號(hào)失真、丟失關(guān)鍵的物理標(biāo)志的缺點(diǎn)限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。
近期，清華大學(xué)精密儀器系朱榮教授團(tuán)隊(duì)在Advanced Functional Materials期刊發(fā)表題為 “Printable and Stretchable Conductive Elastomers for Monitoring Dynamic Strain with High Fidelity”的文章，提出了一種具有出色的動(dòng)態(tài)性能的Ag-Ecoflex- PDMS彈性體（EAP）。Ag-Ecoflex-PDMS彈性體具有高電導(dǎo)率，與其他導(dǎo)電材料相比，這種導(dǎo)電材料在檢測動(dòng)態(tài)應(yīng)變方面具有更小的過沖響應(yīng)，更高的應(yīng)變靈敏度和更低的滯后性。同時(shí)該團(tuán)隊(duì)提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法，成功地校正了傳感信號(hào)并將滯后誤差降至0.1%。該團(tuán)隊(duì)所提出的導(dǎo)電復(fù)合彈性體與動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法在人體動(dòng)態(tài)活動(dòng)監(jiān)測、人機(jī)協(xié)作、虛擬現(xiàn)實(shí)等應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢和潛力。
背景介紹
可拉伸導(dǎo)電彈性體可用作可穿戴電子設(shè)備、軟機(jī)器人和植入式醫(yī)療設(shè)備的可拉伸傳感器或可拉伸導(dǎo)體。通常，可拉伸的導(dǎo)電彈性體包含可拉伸基底上的導(dǎo)電活性材料。導(dǎo)電活性材料通常是固有導(dǎo)電材料或者通過將導(dǎo)電顆粒/線與聚合物混合而形成。許多研究人員已經(jīng)開發(fā)了多種可拉伸裝置，通過使用光刻技術(shù)、轉(zhuǎn)移技術(shù)、或打印技術(shù)將導(dǎo)電活性材料裝配到彈性體基底上。其中，打印技術(shù)由于其低制造成本和高生產(chǎn)效率成為一種有吸引力的方式。
由于對可打印導(dǎo)電材料的研究，導(dǎo)電彈性體的導(dǎo)電性、應(yīng)變敏感性和拉伸性都有了顯著的改善。雖然使用基于導(dǎo)電顆粒/導(dǎo)線的導(dǎo)電彈性體的應(yīng)變傳感器已被廣泛報(bào)道，但這些應(yīng)變傳感器的動(dòng)態(tài)性能很少得到研究。大多數(shù)研究只涉及導(dǎo)電彈性體電行為的準(zhǔn)靜態(tài)性質(zhì)，很少有研究關(guān)注應(yīng)變傳感器在監(jiān)控動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)的信號(hào)保真度，例如現(xiàn)實(shí)生活中的身體/肢體運(yùn)動(dòng)或手勢運(yùn)動(dòng)。在監(jiān)測這些動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)，使用導(dǎo)電材料的應(yīng)變傳感器通常會(huì)遇到信號(hào)失真問題，應(yīng)變感測性能因此降低，表現(xiàn)為過沖響應(yīng)、靈敏度降低、非單調(diào)感測特性等。信號(hào)失真問題廣泛存在于大多數(shù)動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感結(jié)果中，但往往得不到重視。而在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)變傳感器的信號(hào)保真度在如虛擬現(xiàn)實(shí)重建、生理信號(hào)監(jiān)控、外骨骼輔助、人-機(jī)器人交互等多功能監(jiān)控任務(wù)中非常重要。
因此，本研究提出了一種新的具有高保真性能的動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感的功能材料。該團(tuán)隊(duì)通過在PDMS基底上打印以銀為填充相的Ecoflex導(dǎo)電墨水，得到名為Ag-Ecoflex-PDMS的導(dǎo)電彈性體。Ag-Ecoflex-PDMS在動(dòng)態(tài)應(yīng)變下表現(xiàn)出優(yōu)異的應(yīng)變傳感性能，體現(xiàn)為更小的過沖、更高的應(yīng)變靈敏度和更低的滯后。該研究通過使用基于深度學(xué)習(xí)的校準(zhǔn)方法來進(jìn)一步校正Ag-Ecoflex-PDMS的應(yīng)變響應(yīng)，使遲滯誤差被消除到 0.1%以內(nèi)。采用Ag-Ecoflex-PDMS的應(yīng)變傳感器被用于高保真地監(jiān)測人體肢體的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)了人機(jī)協(xié)同打乒乓球，展示了所提出的導(dǎo)電復(fù)合彈性體在監(jiān)測人體動(dòng)態(tài)活動(dòng)、人機(jī)協(xié)同、虛擬現(xiàn)實(shí)等應(yīng)用中的優(yōu)越性和廣闊前景。
實(shí)驗(yàn)過程
1.導(dǎo)電彈性體的組成與拉伸中的電性能
可拉伸導(dǎo)電彈性體包含打印在聚合物基底上的導(dǎo)電薄膜。其中，導(dǎo)電薄膜由導(dǎo)電顆粒和彈性體基體組成。導(dǎo)電顆粒均勻分散在彈性體基體中形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，在拉伸或釋放過程中，導(dǎo)電顆粒隨聚合物基材的應(yīng)變而移動(dòng)，導(dǎo)致導(dǎo)電彈性體的電響應(yīng)。圖1c展示了大多數(shù)打印導(dǎo)電彈性體在動(dòng)態(tài)拉伸釋放循環(huán)期間的代表性電響應(yīng)模型。在拉伸的第一階段（圖1d（I）），沿拉伸方向（縱向），導(dǎo)電彈性體在拉伸應(yīng)力下產(chǎn)生相互分離的導(dǎo)電顆粒，從而減少了導(dǎo)電顆粒的接觸和量子導(dǎo)電結(jié)。導(dǎo)電彈性體中的導(dǎo)電通路減小，因此導(dǎo)電顆粒網(wǎng)絡(luò)的電阻相應(yīng)增加。在拉伸的第二階段（圖1d（II）），由于彈性體的橫向泊松變形，拉伸下的導(dǎo)電彈性體也承受橫向的壓應(yīng)力，導(dǎo)電粒子在橫向上緊密聚集，這增加了導(dǎo)電粒子的接觸和量子導(dǎo)電結(jié)，導(dǎo)電通路相應(yīng)增加，因此導(dǎo)電粒子網(wǎng)絡(luò)的電阻減小。當(dāng)拉伸的導(dǎo)電彈性體被釋放時(shí)，則會(huì)發(fā)生相反的動(dòng)態(tài)行為。
圖1 可拉伸導(dǎo)電彈性體及其對動(dòng)態(tài)拉伸和釋放的電響應(yīng)
2.導(dǎo)電彈性體EAP與基于深度學(xué)習(xí)的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)
導(dǎo)電通路沿橫向和縱向的不協(xié)調(diào)的動(dòng)態(tài)行為，擾亂了導(dǎo)電彈性體對應(yīng)變刺激的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，從而在拉伸釋放周期中產(chǎn)生過沖，即肩峰。更嚴(yán)重的是，橫向和縱向?qū)щ姼偁幙赡軐?dǎo)致非單調(diào)應(yīng)變傳感和靈敏度降低（圖2c，d）。可拉伸導(dǎo)電彈性體的這些較差的電力學(xué)性能嚴(yán)重限制了它們作為應(yīng)變傳感器的實(shí)際應(yīng)用。
圖2 導(dǎo)電墨水的銀含量為72.0%時(shí)不同基底的可拉伸導(dǎo)電彈性體在拉伸和釋放時(shí)的應(yīng)變傳感響應(yīng)
為了提高應(yīng)變傳感器的性能，該研究提出了一種名為EAP的導(dǎo)電彈性體。該團(tuán)隊(duì)將銀片填料和Ecoflex基質(zhì)（EA墨水）組成的導(dǎo)電薄膜(100um厚)打印在PDMS基底（1mm厚）上，得到了EAP。將PDMS基底替換為Ecoflex基底則得到了EAE。該團(tuán)隊(duì)同步監(jiān)測EAE和EAP在拉伸釋放循環(huán)（低于40%應(yīng)變）中的電阻響應(yīng)以比較它們的應(yīng)變傳感性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2a所示，EAE的動(dòng)態(tài)響應(yīng)中存在明顯的肩峰，然而，在EAP的反應(yīng)中，肩峰很弱。EAP改進(jìn)的一個(gè)原因是EAE的橫向泊松變形比EAP的橫向泊松變形更強(qiáng)烈（圖2b）。EAP優(yōu)于EAE的另一個(gè)原因是，與PDMS相比，作為導(dǎo)電墨水交聯(lián)劑的Ecoflex基質(zhì)具有相對較低的楊氏模量，它幾乎不會(huì)阻礙導(dǎo)電墨水的壓縮變形，從而改善導(dǎo)電通路沿橫向和縱向的運(yùn)動(dòng)學(xué)同步。圖2c顯示了EAE在拉伸和釋放過程中的相對電阻變化(10–40%應(yīng)變)。可以看出，肩峰出現(xiàn)在拉伸和釋放動(dòng)作中。由于在動(dòng)態(tài)應(yīng)變下縱向和橫向?qū)щ娡返钠茐暮椭亟ㄖg的競爭，EAE不僅動(dòng)態(tài)電響應(yīng)變差，而且應(yīng)變敏感性被抵消。圖2d顯示了EAE的滯后特性，其最大相對滯后誤差達(dá)到20.1%。并且EAE的電阻應(yīng)變感測在80%的應(yīng)變范圍內(nèi)表現(xiàn)出非單調(diào)性。相比之下，EAP表現(xiàn)出更好的應(yīng)變傳感性能，體現(xiàn)出更小的過沖和更高的靈敏度，并且有著良好的可重復(fù)性，在檢測動(dòng)態(tài)應(yīng)變方面更具有優(yōu)勢。
為了進(jìn)一步消除滯后誤差，該團(tuán)隊(duì)提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，以校正EAP彈性體的應(yīng)變傳感信號(hào)。考慮到上述導(dǎo)電彈性體在拉伸和釋放下的電動(dòng)力學(xué)，該團(tuán)隊(duì)提出了一種動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法，而不是常規(guī)的靜態(tài)校準(zhǔn)，通過基于模型的校正來補(bǔ)償應(yīng)變滯后。該團(tuán)隊(duì)使用深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來表征導(dǎo)電彈性體在動(dòng)態(tài)應(yīng)變下的電響應(yīng)，從而能夠根據(jù)應(yīng)變傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)預(yù)測測量的應(yīng)變。由于EAP應(yīng)變傳感器具有良好的學(xué)習(xí)長期相關(guān)性的能力，該團(tuán)隊(duì)采用長短期記憶(LSTM)網(wǎng)絡(luò)建立其動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)模型。如圖2g所示，為應(yīng)變傳感器在在40%應(yīng)變下拉伸釋放循環(huán)的測量結(jié)果。應(yīng)變傳感器的原始電阻輸出仍表現(xiàn)出小的過沖和遲滯。使用基于LSTM網(wǎng)絡(luò)的校準(zhǔn)進(jìn)行校正后，將傳感器的電阻輸出轉(zhuǎn)換為測量的應(yīng)變，得到應(yīng)變與實(shí)際應(yīng)變幾乎一致，其中過沖和遲滯誤差幾乎被消除。實(shí)測應(yīng)變與實(shí)際應(yīng)變之間的均方根誤差達(dá)到0.22%。此外，為進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的有效性，該團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了分步上升/下降應(yīng)變試驗(yàn)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果2h可以看出，傳感器的校準(zhǔn)輸出與施加在傳感器上的實(shí)際應(yīng)變完全保持同步。測量的應(yīng)變與實(shí)際應(yīng)變之間的均方根誤差為0.84%。通過使用基于深度學(xué)習(xí)的校準(zhǔn)，應(yīng)變傳感器的滯后誤差幾乎完全消除，并從14.4%降低到0.1%。
近期，清華大學(xué)精密儀器系朱榮教授團(tuán)隊(duì)在Advanced Functional Materials期刊發(fā)表題為 “Printable and Stretchable Conductive Elastomers for Monitoring Dynamic Strain with High Fidelity”的文章，提出了一種具有出色的動(dòng)態(tài)性能的Ag-Ecoflex- PDMS彈性體（EAP）。Ag-Ecoflex-PDMS彈性體具有高電導(dǎo)率，與其他導(dǎo)電材料相比，這種導(dǎo)電材料在檢測動(dòng)態(tài)應(yīng)變方面具有更小的過沖響應(yīng)，更高的應(yīng)變靈敏度和更低的滯后性。同時(shí)該團(tuán)隊(duì)提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法，成功地校正了傳感信號(hào)并將滯后誤差降至0.1%。該團(tuán)隊(duì)所提出的導(dǎo)電復(fù)合彈性體與動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法在人體動(dòng)態(tài)活動(dòng)監(jiān)測、人機(jī)協(xié)作、虛擬現(xiàn)實(shí)等應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢和潛力。
背景介紹
可拉伸導(dǎo)電彈性體可用作可穿戴電子設(shè)備、軟機(jī)器人和植入式醫(yī)療設(shè)備的可拉伸傳感器或可拉伸導(dǎo)體。通常，可拉伸的導(dǎo)電彈性體包含可拉伸基底上的導(dǎo)電活性材料。導(dǎo)電活性材料通常是固有導(dǎo)電材料或者通過將導(dǎo)電顆粒/線與聚合物混合而形成。許多研究人員已經(jīng)開發(fā)了多種可拉伸裝置，通過使用光刻技術(shù)、轉(zhuǎn)移技術(shù)、或打印技術(shù)將導(dǎo)電活性材料裝配到彈性體基底上。其中，打印技術(shù)由于其低制造成本和高生產(chǎn)效率成為一種有吸引力的方式。
由于對可打印導(dǎo)電材料的研究，導(dǎo)電彈性體的導(dǎo)電性、應(yīng)變敏感性和拉伸性都有了顯著的改善。雖然使用基于導(dǎo)電顆粒/導(dǎo)線的導(dǎo)電彈性體的應(yīng)變傳感器已被廣泛報(bào)道，但這些應(yīng)變傳感器的動(dòng)態(tài)性能很少得到研究。大多數(shù)研究只涉及導(dǎo)電彈性體電行為的準(zhǔn)靜態(tài)性質(zhì)，很少有研究關(guān)注應(yīng)變傳感器在監(jiān)控動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)的信號(hào)保真度，例如現(xiàn)實(shí)生活中的身體/肢體運(yùn)動(dòng)或手勢運(yùn)動(dòng)。在監(jiān)測這些動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)，使用導(dǎo)電材料的應(yīng)變傳感器通常會(huì)遇到信號(hào)失真問題，應(yīng)變感測性能因此降低，表現(xiàn)為過沖響應(yīng)、靈敏度降低、非單調(diào)感測特性等。信號(hào)失真問題廣泛存在于大多數(shù)動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感結(jié)果中，但往往得不到重視。而在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)變傳感器的信號(hào)保真度在如虛擬現(xiàn)實(shí)重建、生理信號(hào)監(jiān)控、外骨骼輔助、人-機(jī)器人交互等多功能監(jiān)控任務(wù)中非常重要。
因此，本研究提出了一種新的具有高保真性能的動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感的功能材料。該團(tuán)隊(duì)通過在PDMS基底上打印以銀為填充相的Ecoflex導(dǎo)電墨水，得到名為Ag-Ecoflex-PDMS的導(dǎo)電彈性體。Ag-Ecoflex-PDMS在動(dòng)態(tài)應(yīng)變下表現(xiàn)出優(yōu)異的應(yīng)變傳感性能，體現(xiàn)為更小的過沖、更高的應(yīng)變靈敏度和更低的滯后。該研究通過使用基于深度學(xué)習(xí)的校準(zhǔn)方法來進(jìn)一步校正Ag-Ecoflex-PDMS的應(yīng)變響應(yīng)，使遲滯誤差被消除到 0.1%以內(nèi)。采用Ag-Ecoflex-PDMS的應(yīng)變傳感器被用于高保真地監(jiān)測人體肢體的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)了人機(jī)協(xié)同打乒乓球，展示了所提出的導(dǎo)電復(fù)合彈性體在監(jiān)測人體動(dòng)態(tài)活動(dòng)、人機(jī)協(xié)同、虛擬現(xiàn)實(shí)等應(yīng)用中的優(yōu)越性和廣闊前景。
實(shí)驗(yàn)過程
1.導(dǎo)電彈性體的組成與拉伸中的電性能
可拉伸導(dǎo)電彈性體包含打印在聚合物基底上的導(dǎo)電薄膜。其中，導(dǎo)電薄膜由導(dǎo)電顆粒和彈性體基體組成。導(dǎo)電顆粒均勻分散在彈性體基體中形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，在拉伸或釋放過程中，導(dǎo)電顆粒隨聚合物基材的應(yīng)變而移動(dòng)，導(dǎo)致導(dǎo)電彈性體的電響應(yīng)。圖1c展示了大多數(shù)打印導(dǎo)電彈性體在動(dòng)態(tài)拉伸釋放循環(huán)期間的代表性電響應(yīng)模型。在拉伸的第一階段（圖1d（I）），沿拉伸方向（縱向），導(dǎo)電彈性體在拉伸應(yīng)力下產(chǎn)生相互分離的導(dǎo)電顆粒，從而減少了導(dǎo)電顆粒的接觸和量子導(dǎo)電結(jié)。導(dǎo)電彈性體中的導(dǎo)電通路減小，因此導(dǎo)電顆粒網(wǎng)絡(luò)的電阻相應(yīng)增加。在拉伸的第二階段（圖1d（II）），由于彈性體的橫向泊松變形，拉伸下的導(dǎo)電彈性體也承受橫向的壓應(yīng)力，導(dǎo)電粒子在橫向上緊密聚集，這增加了導(dǎo)電粒子的接觸和量子導(dǎo)電結(jié)，導(dǎo)電通路相應(yīng)增加，因此導(dǎo)電粒子網(wǎng)絡(luò)的電阻減小。當(dāng)拉伸的導(dǎo)電彈性體被釋放時(shí)，則會(huì)發(fā)生相反的動(dòng)態(tài)行為。
圖1 可拉伸導(dǎo)電彈性體及其對動(dòng)態(tài)拉伸和釋放的電響應(yīng)
2.導(dǎo)電彈性體EAP與基于深度學(xué)習(xí)的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)
導(dǎo)電通路沿橫向和縱向的不協(xié)調(diào)的動(dòng)態(tài)行為，擾亂了導(dǎo)電彈性體對應(yīng)變刺激的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，從而在拉伸釋放周期中產(chǎn)生過沖，即肩峰。更嚴(yán)重的是，橫向和縱向?qū)щ姼偁幙赡軐?dǎo)致非單調(diào)應(yīng)變傳感和靈敏度降低（圖2c，d）。可拉伸導(dǎo)電彈性體的這些較差的電力學(xué)性能嚴(yán)重限制了它們作為應(yīng)變傳感器的實(shí)際應(yīng)用。
圖2 導(dǎo)電墨水的銀含量為72.0%時(shí)不同基底的可拉伸導(dǎo)電彈性體在拉伸和釋放時(shí)的應(yīng)變傳感響應(yīng)
為了提高應(yīng)變傳感器的性能，該研究提出了一種名為EAP的導(dǎo)電彈性體。該團(tuán)隊(duì)將銀片填料和Ecoflex基質(zhì)（EA墨水）組成的導(dǎo)電薄膜(100um厚)打印在PDMS基底（1mm厚）上，得到了EAP。將PDMS基底替換為Ecoflex基底則得到了EAE。該團(tuán)隊(duì)同步監(jiān)測EAE和EAP在拉伸釋放循環(huán)（低于40%應(yīng)變）中的電阻響應(yīng)以比較它們的應(yīng)變傳感性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2a所示，EAE的動(dòng)態(tài)響應(yīng)中存在明顯的肩峰，然而，在EAP的反應(yīng)中，肩峰很弱。EAP改進(jìn)的一個(gè)原因是EAE的橫向泊松變形比EAP的橫向泊松變形更強(qiáng)烈（圖2b）。EAP優(yōu)于EAE的另一個(gè)原因是，與PDMS相比，作為導(dǎo)電墨水交聯(lián)劑的Ecoflex基質(zhì)具有相對較低的楊氏模量，它幾乎不會(huì)阻礙導(dǎo)電墨水的壓縮變形，從而改善導(dǎo)電通路沿橫向和縱向的運(yùn)動(dòng)學(xué)同步。圖2c顯示了EAE在拉伸和釋放過程中的相對電阻變化(10–40%應(yīng)變)。可以看出，肩峰出現(xiàn)在拉伸和釋放動(dòng)作中。由于在動(dòng)態(tài)應(yīng)變下縱向和橫向?qū)щ娡返钠茐暮椭亟ㄖg的競爭，EAE不僅動(dòng)態(tài)電響應(yīng)變差，而且應(yīng)變敏感性被抵消。圖2d顯示了EAE的滯后特性，其最大相對滯后誤差達(dá)到20.1%。并且EAE的電阻應(yīng)變感測在80%的應(yīng)變范圍內(nèi)表現(xiàn)出非單調(diào)性。相比之下，EAP表現(xiàn)出更好的應(yīng)變傳感性能，體現(xiàn)出更小的過沖和更高的靈敏度，并且有著良好的可重復(fù)性，在檢測動(dòng)態(tài)應(yīng)變方面更具有優(yōu)勢。
為了進(jìn)一步消除滯后誤差，該團(tuán)隊(duì)提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，以校正EAP彈性體的應(yīng)變傳感信號(hào)。考慮到上述導(dǎo)電彈性體在拉伸和釋放下的電動(dòng)力學(xué)，該團(tuán)隊(duì)提出了一種動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法，而不是常規(guī)的靜態(tài)校準(zhǔn)，通過基于模型的校正來補(bǔ)償應(yīng)變滯后。該團(tuán)隊(duì)使用深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來表征導(dǎo)電彈性體在動(dòng)態(tài)應(yīng)變下的電響應(yīng)，從而能夠根據(jù)應(yīng)變傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)預(yù)測測量的應(yīng)變。由于EAP應(yīng)變傳感器具有良好的學(xué)習(xí)長期相關(guān)性的能力，該團(tuán)隊(duì)采用長短期記憶(LSTM)網(wǎng)絡(luò)建立其動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)模型。如圖2g所示，為應(yīng)變傳感器在在40%應(yīng)變下拉伸釋放循環(huán)的測量結(jié)果。應(yīng)變傳感器的原始電阻輸出仍表現(xiàn)出小的過沖和遲滯。使用基于LSTM網(wǎng)絡(luò)的校準(zhǔn)進(jìn)行校正后，將傳感器的電阻輸出轉(zhuǎn)換為測量的應(yīng)變，得到應(yīng)變與實(shí)際應(yīng)變幾乎一致，其中過沖和遲滯誤差幾乎被消除。實(shí)測應(yīng)變與實(shí)際應(yīng)變之間的均方根誤差達(dá)到0.22%。此外，為進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的有效性，該團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了分步上升/下降應(yīng)變試驗(yàn)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果2h可以看出，傳感器的校準(zhǔn)輸出與施加在傳感器上的實(shí)際應(yīng)變完全保持同步。測量的應(yīng)變與實(shí)際應(yīng)變之間的均方根誤差為0.84%。通過使用基于深度學(xué)習(xí)的校準(zhǔn)，應(yīng)變傳感器的滯后誤差幾乎完全消除，并從14.4%降低到0.1%。
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