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文摘
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
(
FPS
p
)。
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
了
FPS
p
。
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(
P
DMS
)
负模。然后
,
将
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
FPS
p
。
大量
CNT
片段暴露在
PIA
表面,
是
建立导电
通路
的
关键。
图
1
. FPS
p
的灵
感来源、微
结构及制备流程示意图
FPS
p
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
-1
;
在
170
–
350 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,
FPS
p
的
S
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,
FPS
p
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,
F
PS
p
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,
F
PS
p
的传感性能也能长期保持稳定,证明了
F
PS
p
具有很好的鲁棒性。
图
2
. FPS
p
的传感性能
有限元分析
显示,
FPS
p
中
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;
I
I
)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;
I
II
)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),
FPS
p
可以
进一步提高传感性能。
图
3
. FPS
p
的传感机理
高灵敏度和宽检测范围使得
FPS
p
有
望
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,
FPS
p
可以区分不同人的发音习惯(或口音)。
将
FPS
p
安装在胸部
和手腕处
,可
以分别
监测
志愿者的
呼吸状态
和
脉搏
。
FPS
p
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
等
。
不同信号的耦合使得
FPS
p
能够监测
人们的
健康状况、康复
以及
运动训练
。
图
4
. FPS
p
的可穿戴应用
作为应用展示,
FPS
p
可用于
监测人体生理信号
和
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。
FPS
p
还可以作为信息交互界面。通过无线传输模块,
FPS
p
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
FPS
p
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
FPS
p
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。
图
5
. FPS
p
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
http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI4ODE4NDAwNw==&mid=2655158851&idx=1&sn=014ea82d88db81500e7e1e09f7b85aa6
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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