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中山大學吳進課題組《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變傳感器能夠適應各種機械形變并實時將其轉換為可檢測的電信號,可廣泛應用于運動監測、手勢識別、生理信號監測等領域,在人機交互中發揮重要作用。目前應變傳感器面臨的最大挑戰就是在一個器件中同時實現高的靈敏度和寬的應變檢測范圍。一般高靈敏度的應變傳感器是基于剛性導電薄膜中裂紋的產生或網絡結構中導電單元之間的分離來實現的,會導致體系電阻的急劇變化。然而,它們的應變檢測范圍極其有限(<5%),稍微大的形變就會導致傳感層的破裂而失效。具有寬應變檢測范圍的應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電材料混合后其靈敏度依然不是很理想。


  啟發于傳統的裂紋應變傳感器,中山大學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構制備了具有超高靈敏度的應變傳感器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層中裂紋的產生和擴展。由于上下兩層彈性體薄膜的包裹,即使遭受較大的應變后,傳感層仍然能恢復到初始狀態,從而使傳感器兼具寬的應變檢測范圍100%。除此之外,該傳感器還表現出良好的抗疲勞性、低遲滯、良好的抗凍性和熱穩定性。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確、穩定和實時的運動監測。最后,將自主開發的無線傳感器電路和APP和薄膜應變傳感器相結合實現了呼吸暫停報警和單通道手勢識別等穿戴式應用,展現出傳感器在可穿戴電子和人機交互中的巨大應用前景。

 

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變傳感器的設計和應用實例示意圖。

 

圖2 有機水凝膠微球傳感器的應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用演示。

 

圖4 基于有機水凝膠微球應變傳感器的無線人機交互系統。


  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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