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澳门大学钟俊文课题组 Adv. Mater.：用于盲文-语音转译的静电型智能织物
2024-03-21  来源：高分子科技
关键词：柔性 轻薄 全织物 触觉传感器 驻极体织物

  据世界卫生组织统计，全球约有 4500 万盲人和 1.7 亿语言障碍患者。可穿戴人机交互技术，包括触觉反馈执行器、电子触觉渲染系统、视觉假肢已被应用于再现触觉刺激或唤起盲人的视觉感知。但是，这些技术侧重于盲人的视觉和触觉反馈，而忽视了听觉反馈的重要性。可穿戴盲文-语音转译系统由一个捕捉盲文信息的触觉传感器阵列和一个产生语音信息的扬声器组成，可极大地帮助盲人阅读和语言障碍者发声。



  近日，澳门大学钟俊文教授团队在Advanced Materials (IF:29.4)上发表了题为“Electrostatic smart textiles for Braille-to-speech translation”的学术论文。该工作报道了一种柔性、轻薄、全织物的双功能静电机电转换器，可同时用作触觉传感器和扬声器。该器件由织物绝缘体和夹在织物电极之间的驻极体织物组成，具有良好的穿戴舒适性。同时，该器件具有出色的机械耐久性（连续折叠1000次，弯曲、拉伸和扭转状态下输出性能不变）、工作稳定性（静置30天依然输出稳定）、电压输出（触觉传感灵敏度1.06 V/kPa）和声音输出（88 dB@10 kHz, 30 Vrms）。器件可被集成到衣服中，用作进行盲文信息编码的触觉传感器（6个小器件）和产生语音信息的扬声器（1个大器件）。结合便携式处理电路（内部嵌入机器学习算法），构建了可穿戴盲文-语音转译系统。该系统可实时地将盲文字母和 40 个常用单词转换成语音，准确率分别高达 99.04% 和 97.08%。虽然该系统目前只能转译 40个单词，如果使用更大的存储容量和更强大的处理器，其能力可以拓展和加强。此外，将来还可以采用更加小型和柔性的处理电路来提高集成能力。与当前的盲文-语音转译系统（如商用触觉传感器与扬声器的结合）相比，该系统具有结构紧凑、集成于纺织品、易于制造等优点。此外，单词和句子的编码规则简单，用户易于掌握。


图 1. 基可穿戴盲文-语音转译系统的设计。(A) 静电型机电转换器结构图。 (B) 触觉传感器和扬声器的工作原理。(C) 器件与衣物的集成以及盲文到语音的转译过程。它包括一个用于编码盲文信息的触觉传感器阵列（6个小器件）、一个用于根据盲文信息生成相应声音信号的读出电路、一个用于生成语音的扬声器（1个大器件）。

图 2. 静电型机电转换器的发声性能。(A) 测量发声性能的实验装置照片。(B) 驻极体织物孔径对 1 和 10 kHz 声压级的影响。(C) 间隔织物的网目数对 1 和 10 kHz 时声压级的影响。谐振频率和平均声压级随（D）电极厚度和（E）电极孔隙率的变化。(F) 当驱动频率为 20 Hz 至 20 kHz 时，不同面积器件的输出声压级。器件的输出声压级与 (G) 驱动电压和 (H)测量距离的关系。(I) 器件的输出声压级的方向性。


图 3. 与纺织品集成的静电型机电转换器的声学性能。(A) 器件照片和它在平放、弯曲、拉伸、扭曲等不同状态下产生的 "可穿戴电子设备"声波图谱。(B) 连续折叠达 1000 次时，器件在 1、5 和 10 kHz 频率下的声压级变化。(C) 器件在不同环境湿度下连续 30 天的输出变化。(D)-(G) 静电型机电转换器和手机发出的 "人机交互 "声波和频谱比较。


图 4. 静电型机电转换器的触觉传感性能。 (A) 输出开路电压与压力的关系。(B) 器件在 8.8 kPa 压力下，对不同按压频率的输出开路电压。(C) 不同弯曲角度下，器件的输出开路电压。(D)-(F) 在 8.8 kPa 压力和 2 Hz 频率下，反复按压 3,900 次后器件的稳定性。(G) 器件在不同环境湿度下连续 14 天的稳定性测试。


图 5. 静电型机电转换器在盲文-语音转译中的应用验证。(A) 器件阵列识别盲文字母。 (B) 器件阵列识别 40 个具有代表性的单词。(C) 40 个单词分类准确率的散点图。(D) 3 名新使用者准确表达单词所需的平均训练频率与单词中字母数量的关系。

  论文第一作者为澳门大学科技学院博士后研究员李肇阳，论文通讯作者为澳门大学科技学院钟俊文助理教授，上海交通大学彭争春教授和上海大学钟其泽教授为本工作提供了宝贵的帮助。

  原文链接 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202313518

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（责任编辑：xu）
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