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寧波大學翁更生教授課題組 AFM：用于人體健康監測、物體識別及無接觸手勢識別的3D打印自供能柔性傳感器

2024-09-26 來源：高分子科技

柔性傳感器在健康與人機交互等方面具有不可替代的應用。當前雖然已開發出多種類型的柔性傳感器，但是目前的很多柔性傳感器都需要整合外部電源。這已成為柔性傳感器發展的重要瓶頸。為解決這個問題，一種常見的、較為成熟的方法是將光伏電池等做成非常規的幾何形狀，以實現薄型、可彎曲和可拉伸的設計，其生產過程需要用到微加工技術，能耗較高，步驟多，因而發展受到限制。此外，壓電材料、熱電材料等也被用來構筑自供能柔性傳感器。這類自供能設計能避免剛性供電器件整合的問題，但是這類傳感器往往只能對某一刺激，比如壓力，產生響應。近年來，原電池型自供能柔性傳感器也得到了一定的發展。這類柔性傳感器利用電解質材料的精心設計與電極反應可實現對多種刺激信號的響應。但是基于原電池的柔性自供能傳感器在成型制造方面仍較為繁瑣，且在無接觸動作傳感等方面的應用也鮮有報道。

圖1. 柔性自供能傳感器的設計、制造與應用

為此，寧波大學翁更生教授團隊基于前期在原電池型柔性自供能傳感器方面的研究，開發出了基于3D打印的多重刺激響應性柔性自供能傳感器。如圖1所示，柔性自供能傳感器由3D打印的PAA水凝膠作為電解質層，3D打印的Cu²⁺-Ala動態配位交聯的PDA/Cu²⁺/Cu水凝膠作為負極層。在PAA水凝膠底層浸潤KMnO₄并最終轉化成MnO₂，從而構成正極層。進一步通過組裝石墨薄膜電極，得到柔性自供能傳感器。該傳感器可應用于可穿戴設備、健康監測、物體識別、及無接觸手勢識別等方面。

圖2. 柔性自供能用于監測不同載荷作用模式

圖3. 傳感器在人體活動與呼吸監測方面的應用

如圖2所示為該傳感器的外力響應性分析，可以發現在拉伸、彎曲、壓縮、沖擊等不同載荷作用模式下，該傳感器表現出不同的電流信號，因此對載荷作用具有識別性。研究表明，這種傳感器在載荷長期動態作用下也能保持較為穩定的信號輸出。如圖3所示，基于對力的傳感性，可通過與紡織物的復合，用于人體活動的監測�；陔姌O反應的溫度敏感性，該傳感器還能用于人體呼吸的監測。如圖3所示，用于呼吸監測的傳感器被3D打印成鏤空結構以增加氣流與傳感器的接觸面積。監測結果表明，傳感器可準確確定呼吸頻率、呼吸力度。通過深入研究表明，傳感信號主要來自氣流溫度的變化，且具有較好的信號穩定性。此外，通過柔性傳感器在柔性抓手上的陣列分布，還可用于抓取物體的幾何尺寸識別。

圖4.基于溫度傳感的手勢識別

最后，作者發現該柔性傳感器具有高度的溫度傳感性。實驗表明，最大有效溫度監測距離可達175 mm。將15個柔性傳感器安裝于如圖4所示的監測結構中，每一個傳感器作為一個傳感通道，并通過數據圖像轉換，得到溫度的二維面信號變化。測試表明，當以不同的手勢伸進傳感裝置即可得到不同的二位圖像信息，不同的圖像信息對映不同的手勢。

以上研究成果以“Self-powered and 3D Printable Soft Sensor for Human Health Monitoring, Object Recognition, and Contactless Hand Gesture Recognition”為題發表于Advanced Functional Materials（Doi: 10.1002/adfm.202411172）。論文第一作者為寧波大學材化學院碩士生唐敬植，通訊作者為寧波大翁更生教授。本研究得到了國家自然科學基金面上項目（22175100），浙江省自然科學基金（LY22E030001）與寧波市自然科學基金（2022J102）的資助。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202411172

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（責任編輯：xu）

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