武汉大学薛龙建教授团队《AFM》:基于仿生策略的高性能可穿戴压力传感器

文摘   2024-11-02 15:00   吉林  

柔性压力传感器近些年来发展迅速,在医疗监测、人机交互和信息通信等领域具有广泛且重要的应用前景。对于压力传感器而言,高灵敏度可以精确识别微小的压力变化,而宽检测范围可以确保传感器在很大的压力范围内正常工作。为了满足这些需求,引入微结构(如圆顶、金字塔和微柱)已被广泛证明是一种有效策略。这些微结构的尖端易于变形,可实现高灵敏度,但尖端变形所产生的应力会随着负载的增加而不断累积,阻碍了微结构其余部分的变形,降低高负载下的灵敏度。针对以上问题,国际仿生工程学会青年委员会主任委员,武汉大学薛龙建教授团队受猫舌上丝状乳突的启发,开发了一种具有互锁仿生结构的柔性压力传感器FPSp)。该研究以 “Filiform Papillae-Inspired Wearable Pressure Sensor with High Sensitivity and Wide Detection Range” 为题发表在《Advanced Functional Materials》上。武汉大学薛龙建教授、吴国强教授和税朗泉教授为论文的共同通讯作者,博士生李刚为论文的第一作者。

模仿猫舌上的丝状乳突结构,采用3D打印和软印刷技术构建FPSp利用3D打印技术制备仿丝状乳突结构的硬模板,并通过复刻技术制备了聚二甲基硅氧烷(PDMS负模。然后碳纳米管/聚二甲基硅氧烷CNTs/PDMS)前聚体填充到负模中,固化脱模后,得到具有仿丝状乳突结构的阵列PIA最后,将两片PIA以乳突尖端与对应PIA基底接触的方式互锁组装成FPSp大量CNT片段暴露在PIA表面,建立导电通路关键。

1. FPSp的灵感来源、微结构及制备流程示意图

FPSp传感性能的关键参数灵敏度(S)在30 Pa–2.9 kPa的压力范围内,最高可达504.5 kPa-1170350 kPa的压力范围内,S逐渐下降至1.4 kPa-1在同一压力范围内,FPSpS值远高于PIA,且压力越大,S值的差异越大,证明了互锁组装的优势与之前报道的具有类似材料组成或结构设计的压阻式传感器相比,FPSp兼具高灵敏度和宽检测范围,表明基于该仿生策略的设计能有效提高传感性能。此外,FPSp还具有较快的响应时间(83 ms)、良好的周期响应性和长期稳定性(8000次循环)。在不同的环境(温度和湿度)和机械形变(拉伸、扭曲)下,FPSp的传感性能也能长期保持稳定,证明了FPSp具有很好的鲁棒性。

2. FPSp的传感性能

有限元分析显示,FPSp乳突结构的变形可分为三个阶段:I)初始接触阶段。乳突尖端与对面PIA的基底接触,形成少量的导电路径;II)弯曲接触阶段。当压缩增加时,乳突的变形使接触面积急剧增加,导电路径的数量也急剧增加。在此期间,乳突尖端与对面PIA的基底保持接触;III)后弯曲接触阶段。增大的压力会进一步弯曲乳突结构,乳突尖端与对面PIA的基底表面分离,但保持有一段乳突表面和对面PIA基底保持接触。由于独特的变形过程,乳突中应力集中的位置随着应力的增大而持续转移,从而有效避免应力累积导致的灵敏度降低相对而言,随着压力的增大,传统金字塔和圆顶结构的尖端应力会一直保持在尖端部位,阻碍了结构其他部分的后续变形,降低了传感器在高负载下的灵敏度。结合优化后的结构参数(厚度、倾斜角和宽度),FPSp可以进一步提高传感性能。

3. FPSp的传感机理

高灵敏度和宽检测范围使得FPSp成为生理信号的可穿戴传感器。通过分析电信号的正负峰,可以监测志愿者的面部表情。基于声带振动产生的压缩效应,FPSp可以区分不同人的发音习惯(或口音)。FPSp安装在胸部和手腕处,可以分别监测志愿者的呼吸状态脉搏FPSp还能有效跟踪人体运动,如膝关节屈曲和步态经过校准,信号的峰强、峰宽和间隔等特征可以揭示人的体重、步态、心率、呼吸和情绪不同信号的耦合使得FPSp能够监测人们的健康状况、康复以及运动训练

4. FPSp的可穿戴应用

作为应用展示,FPSp可用于监测人体生理信号人机交互界面。例如,通过分析自由下落小球的初始信号和静止信号中包含的信息,可以揭示小球的密度、尺寸、材质等特性和下落高度。FPSp还可以作为信息交互界面。通过无线传输模块,FPSp可用于无线协作检测脉搏等医学信号,为无线远程医疗提供更多可能性。利用集成的FPSp可实现手势信号的交互,保证手语者或语言障碍人士之间的正常交流。通过量化按压FPSp阵列的力度,可实现对传统键盘锁的二次加密。只有当数字密码和相对按压强度都匹配时,锁才能被打开,从而实现安全等级更高的按键加密。

5. FPSp的信息交互

总之,这项研究为高性能柔性压力传感器的设计提供了一种新的设计策略,并展示了其作为人机界面多功能可穿戴电子设备的潜在用途。

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202414465

国际仿生工程学会
学会旨在增进各国仿生学者之间的学术交流与合作,推动仿生工程领域科学研究的发展,提升仿生工程人才的培养教育水平。学会秘书处常设在中国长春吉林大学,是目前在中国教育部所属高校中唯一设立秘书处的国际学术组织。
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