在潮湿、涉水或水下环境中对人员肢体运动进行监测，是保障作业安全与动作规范评估的重要手段，但现有可穿戴柔性传感器在湿态/水下场景中普遍面临灵敏度不足、性能快速退化、环境稳定性差等瓶颈，难以满足长期可靠作业需求。基于此，本文，中北大学余俊斌副教授/丑修建 教授团队在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊发表题为”A Graphene Oxide-Based Tribo-Piezoelectric Hybrid Sensor for Armed Swimming Action Recognition”的研究论文。该工作提出一种耐腐蚀摩擦-压电混合传感器（CRTPHS），主要由本征耐腐蚀的氟化氧化石墨烯微截锥阵列薄膜（MFGOF）与镀金 PDMS-BZT（聚二甲基硅氧烷-钛酸钡锆）构成。
此外，MFGOF 的微截锥阵列结构提供了高比表面积与梯度接触，氟化氧化石墨烯兼具本征疏水与耐腐蚀特性；镀金 PDMS-BZT 同时具备压电与摩擦电响应，二者耦合形成摩擦-压电协同输出，显著提升水下复杂环境中的信号稳定性与信噪比。经系统测试，CRTPHS 灵敏度最高达 1.86 V/N，响应时间 106 ms，峰值功率密度 1.98 mW/m²，5 万次循环后输出性能依然稳定。在耐腐蚀测试中，传感器经 3 天海水浸泡后灵敏度仍保持 1.27 V/N，并具备优异的水下感知能力。通过集成轻量化随机森林（RF）算法，该传感器可识别 5 种模拟武装泅渡动作状态，在留一被试交叉验证（LOSO-CV）下跨被试平均识别准确率达 99.25% ± 0.07%。本研究提出了一种耐腐蚀自供电摩擦-压电混合传感器的制备新思路，并为腐蚀性海水环境下的智能姿态识别提供了新策略，在涉水/水下作业人员的生理安全监测与动作规范评估中具有应用前景。
方案1.CRTPHS Constructed by Using the Intrinsic Corrosion Resistance of GO, Combined with the Plasma Fluorination Process and Patterned PDMS-BZT, Enabling Stable Biomechanical Signal Detection and Diverse Sensing Applications in Humid, Wading, and Underwater Environments (National Defense, Navigation, and Swimming)
综上所述，本研究通过抑制“咖啡环效应”，成功制备了具有微截顶金字塔阵列结构的氧化石墨烯薄膜，随后采用SF6等离子体氟化处理以提高薄膜的表面电负性。随后，将 MFGOF 摩擦电层与 PDMS-BZT 压电层集成，构建了三电极结构，从而实现了摩擦电荷与压电电荷的叠加，最终制备出三明治结构的 CRTPHS。该CRTPHS表现出高灵敏度（1.86 V/N）、快速响应时间（106 ms）、宽力范围（1–10 N）、高输出性能（峰值功率密度达1.98 mW/m²）以及超过50,000次循环的稳定输出。重要的是，通过系统性的人工海水测试直接验证了CRTPHS的耐腐蚀性。经过三天的人工海水浸泡，组装好的 CRTPHS 仍保持了 1.27 V/N 的灵敏度。本研究表明，尽管薄膜表面沉积了大量盐分，但 MFGOF 仍保留了其主要层状结构、氟化特性及表面微观结构，而 LED 照射测试进一步证实了 Au 电极在海水浸泡后的导电连续性。此外，实验证实CRTPHS能够灵敏地检测人体各部位的生物力学信号，即使在人工海水中，也能准确捕捉手指弯曲和手臂摆动等肢体运动信号。最后，将随机森林（RF）机器学习算法与 CRTPHS 集成，用于模拟带武器游泳动作的识别。初步的单受试者实验证明了区分不同动作状态的可行性，而随后利用三名受试者的数据进行的“留一受试者”交叉验证（LOSO-CV）进一步评估了跨受试者的泛化能力。在严格的LOSO-CV协议下，RF模型实现了99.25% ± 0.07%的平均识别准确率、0.9921 ± 0.0007的Macro-F1分数以及0.9905的Cohen’s Kappa系数，展现出对未见受试者的稳健识别性能。
文献：https://doi.org/10.1021/acsami.6c18424
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