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華南理工大學江賽華教授團隊 AFM:基于分段嵌入策略的仿軟骨多向應變傳感器 - 高彈性及各向異性
2023-11-27  來源:高分子科技

  開發柔性、可拉伸和靈敏的多向傳感系統,能夠解耦不同的機械輸入實現良好的空間分辨率和可控的多向或多刺激傳感性能,對于動態人體信號感知和智能人機交互至關重要。然而大多數已報道的多向傳感器只適用于分辨平面內的變形方向,且傳感材料很難在可拉伸性和機械強度之間取得平衡。


  近期,華南理工大學機械與汽車工程學院江賽華教授和陳國華教授團隊,受關節內軟骨組織復雜結構的啟發,開發了一種分段嵌入策略來改善聚合物材料的機械性能,并利用此結構固有各向異性實現傳感功能解耦,構建可以感知并準確識別平面內正交方向拉伸應變以及空間壓縮應變的多向應變傳感系統。


  為了展示這一結構策略,團隊通過設計宏觀分段結構,構建了兼顧柔軟性和高韌性的增強復合材料。將具有優異粘彈性的軟材料聚丙烯酰胺凝膠作為基質部分,將具有類似膠原纖維束的多孔分層結構的天然生物材料木材作為硬質部分的模板,制成了分段嵌入式結構(圖 1)。軟質部分產生彈性變形,而硬質部分則通過應力分散和局部變形支撐大量載荷。軟段和硬段材料通過宏觀機械拓撲結構和氫鍵緊密粘合,從而增強了整體延展性,并保留了嵌入材料的部分各向異性結構。這使得它們能夠作為平面傳感單元應用于復雜場景。通過垂直堆疊分段嵌入式單元傳感器,展示了一種具有局部高度排列的導電網絡的多向傳感系統。該系統可感應多個維度的應變,并通過檢測電信號評估和分析對不同方向應變變化的獨立響應以及應變強度方向的識別。通過使用機器學習和分類算法,提高了數據識別的準確性,使得該系統能夠有效監測生理信號和人體動態運動,展現了在可穿戴電子、電子皮膚、人機交互等領域極大的應用潛力。 


分段嵌入結構聚合物的設計及應用概念 


分段嵌入水凝膠材料的力學性能


圖3 分段嵌入水凝膠材料的變形貢獻分析


多向傳感器裝置的制作和傳感應用 


多向傳感系統在監測和識別關節運動模式和異常情況的應用


  目前,該研究以Cartilage-inspired Multidirectional Strain Sensor with High Elasticity and Anisotropy Based on Segmented Embedded Strategy為題發表于《Advanced Functional Materials》上。本文的通訊作者為華南理工大學江賽華教授,該研究工作得到了國家自然科學基金(22175066,52274232)和廣東省自然科學基金(2023A1515012961)的資助。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202307313

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(責任編輯:xu)
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