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江漢大學(xué)吳鈺祥/湘雅醫(yī)院李宇晟/納米能源所李舟 AFM:自供能柔性傳感器陣列 - 動(dòng)態(tài)壓力監(jiān)測(cè)的新突破
2024-04-08  來源:高分子科技

  在智能醫(yī)療健康領(lǐng)域,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體動(dòng)態(tài)壓力變化一直是研究熱點(diǎn)。近期,江漢大學(xué)吳鈺祥教授、湘雅醫(yī)院李宇晟教授和中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所李舟研究員,成功開發(fā)出一種自供能、柔性、長(zhǎng)期穩(wěn)定的傳感器陣列,為動(dòng)態(tài)壓力監(jiān)測(cè)領(lǐng)域帶來了新的突破。該研究本報(bào)道了一種基于壓電聚合物的自供能、柔性、長(zhǎng)期穩(wěn)定的傳感器陣列,該傳感器陣列專為動(dòng)態(tài)壓力監(jiān)測(cè)而設(shè)計(jì),通過熱壓法和直流濺射技術(shù),研究人員成功制備了具有微腔結(jié)構(gòu)的壓力傳感器。該傳感器展現(xiàn)出高靈敏度、快速響應(yīng)和長(zhǎng)期穩(wěn)定性,能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)聲音振動(dòng)、動(dòng)脈脈搏、手指運(yùn)動(dòng)以及豬膝關(guān)節(jié)內(nèi)的動(dòng)態(tài)壓力變化。這一成果為醫(yī)療監(jiān)測(cè)、人體運(yùn)動(dòng)跟蹤和機(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域提供了新的技術(shù)解決方案。


壓力傳感器的制造工藝和表征。a)壓力傳感器的制造流程圖。b)壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。c)壓力傳感器的尺寸。d)壓力傳感器的微腔結(jié)構(gòu)。e1 Hz頻率下傳感器電壓的輸出特性 f1 Hz頻率下傳感器電流的輸出特性 g1 Hz頻率下傳感器電荷的輸出特性


壓力傳感器的模擬和響應(yīng)。a)使用有限元模擬的傳感器原始狀態(tài)和按下狀態(tài)的電位分布。b)傳感器的響應(yīng)時(shí)間。c)在相同的接觸面積和力下輸出不同的通道。


柔性壓力傳感器的性能表征。a)傳感器在不同負(fù)載下的電壓輸出。b)傳感器在不同負(fù)載下的壓力和電壓之間的關(guān)系。c)柔性壓力傳感器的最小檢測(cè)限。d)傳感器不同位置的壓電系數(shù)。e)不同時(shí)間傳感器壓電系數(shù)的平均值。f)在不同曲率的拱形結(jié)構(gòu)的作用下,柔性壓力傳感器的輸出發(fā)生變化。g)柔性壓力傳感器抵抗串行干擾的能力。h)柔性壓力傳感器在4000次作用下電壓輸出的變化。數(shù)據(jù)以平均值±SEM表示。


柔性壓力傳感器在人體中的應(yīng)用。a)監(jiān)測(cè)聲音振動(dòng)。b)監(jiān)測(cè)橈動(dòng)脈脈搏。c)監(jiān)測(cè)手指屈曲和伸展。d)膝關(guān)節(jié)壓力概念圖的無線傳輸。e)膝關(guān)節(jié)模具上傳感器滾動(dòng)過程中電壓的輸出表征。f)傳感器在膝關(guān)節(jié)模具上滾動(dòng)過程中電流的輸出特性。g)傳感器在膝關(guān)節(jié)模具上滾動(dòng)過程中的電荷輸出表征。 


豬膝關(guān)節(jié)置換術(shù)期間的動(dòng)態(tài)壓力監(jiān)測(cè)。a)豬全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)示意圖。b)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中的動(dòng)態(tài)膝關(guān)節(jié)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。c)豬不同關(guān)節(jié)角度下膝關(guān)節(jié)的壓力分布。


打破傳統(tǒng):自供能技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用


  隨著物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和人工智能(AI)的快速發(fā)展,對(duì)高性能傳感器的需求日益增長(zhǎng),尤其是在需要精確監(jiān)測(cè)壓力變化的領(lǐng)域,如電子皮膚、智能機(jī)器人、人工假肢和可穿戴電子設(shè)備等。傳統(tǒng)的壓力傳感器往往依賴外部電源,限制了其在移動(dòng)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。因此,開發(fā)一種自供能、柔性且穩(wěn)定的傳感器陣列對(duì)于實(shí)現(xiàn)無線、實(shí)時(shí)的壓力監(jiān)測(cè)具有重要意義。這項(xiàng)技術(shù)的核心在于自供能。傳統(tǒng)的傳感器需要外部電源來運(yùn)行,而這種新型傳感器陣列利用壓電聚合物的特性,通過機(jī)械壓力的變化產(chǎn)生電能,從而實(shí)現(xiàn)自我供能。這一創(chuàng)新不僅提高了傳感器的靈活性和便攜性,還為長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)監(jiān)測(cè)提供了可能。此外,考慮到傳感器在各種應(yīng)用場(chǎng)景中的適應(yīng)性,研究團(tuán)隊(duì)還重點(diǎn)關(guān)注了傳感器的柔性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
相關(guān)研究成果以“Self-Powered Flexible Sensor Array for Dynamic Pressure Monitoring為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。


  論文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202316712

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