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中山大學(xué)吳進課題組《Adv. Sci.》:用于可穿戴人機交互的有機水凝膠微球薄膜高性能應(yīng)變傳感器
2022-12-26  來源:高分子科技

  可貼合在人體皮膚或衣服上的柔性應(yīng)變傳感器能夠適應(yīng)各種機械形變并實時將其轉(zhuǎn)換為可檢測的電信號,可廣泛應(yīng)用于運動監(jiān)測、手勢識別、生理信號監(jiān)測等領(lǐng)域,在人機交互中發(fā)揮重要作用。目前應(yīng)變傳感器面臨的最大挑戰(zhàn)就是在一個器件中同時實現(xiàn)高的靈敏度和寬的應(yīng)變檢測范圍。一般高靈敏度的應(yīng)變傳感器是基于剛性導(dǎo)電薄膜中裂紋的產(chǎn)生或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中導(dǎo)電單元之間的分離來實現(xiàn)的,會導(dǎo)致體系電阻的急劇變化。然而,它們的應(yīng)變檢測范圍極其有限(<5%),稍微大的形變就會導(dǎo)致傳感層的破裂而失效。具有寬應(yīng)變檢測范圍的應(yīng)變傳感器在近年來得到了廣泛的報道,傳感材料使用的是一些高度可拉伸的離子導(dǎo)電的水凝膠。體系電信號的變化歸因于拉伸后水凝膠中離子傳輸路徑的變長,即使將水凝膠與一些納米導(dǎo)電材料混合后其靈敏度依然不是很理想。


  啟發(fā)于傳統(tǒng)的裂紋應(yīng)變傳感器,中山大學(xué)吳進課題組首次利用由反相乳液聚合的聚丙烯酰胺(PAM)有機水凝膠微球薄膜形成的傳感層基于彈性體薄膜-微球傳感膜-彈性體薄膜的三明治薄膜器件結(jié)構(gòu)制備了具有超高靈敏度的應(yīng)變傳感器,GF達到了1275,突破了目前水凝膠基傳感器靈敏度的上限,探測下限也達到0.05%應(yīng)變。這種電信號的巨大變化歸因于在拉伸時組成傳感膜的微球之間的分離以及感應(yīng)層中裂紋的產(chǎn)生和擴展。由于上下兩層彈性體薄膜的包裹,即使遭受較大的應(yīng)變后,傳感層仍然能恢復(fù)到初始狀態(tài),從而使傳感器兼具寬的應(yīng)變檢測范圍100%。除此之外,該傳感器還表現(xiàn)出良好的抗疲勞性、低遲滯、良好的抗凍性和熱穩(wěn)定性。最終,它能夠用于對各種人體各種活動的高靈敏探測,進行廣泛的人機交互。由于Ecoflex薄膜的封裝,該傳感器還具有良好的耐水性,因此即使在水中也能進行準(zhǔn)確、穩(wěn)定和實時的運動監(jiān)測。最后,將自主開發(fā)的無線傳感器電路和APP和薄膜應(yīng)變傳感器相結(jié)合實現(xiàn)了呼吸暫停報警和單通道手勢識別等穿戴式應(yīng)用,展現(xiàn)出傳感器在可穿戴電子和人機交互中的巨大應(yīng)用前景。

 

1 PAM有機水凝膠微球的制備流程以及基于有機水凝膠微球薄膜的應(yīng)變傳感器的設(shè)計和應(yīng)用實例示意圖。

 

圖2 有機水凝膠微球傳感器的應(yīng)變傳感機理及傳感性能。

 

圖3 有機水凝膠微球傳感器的各種應(yīng)用演示。

 

圖4 基于有機水凝膠微球應(yīng)變傳感器的無線人機交互系統(tǒng)。


  論文信息:

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202205632

  Zhai, K.; Wang, H.; Ding, Q.; Wu, Z.; Ding, M.; Tao, K.; Yang, B. R.; Xie, X.; Li, C.; Wu, J. High-Performance Strain Sensors Based on Organohydrogel Microsphere Film for Wearable Human-Computer Interfacing. Advanced  Science 2022, e2205632, DOI: 10.1002/advs.202205632.

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