吕永钢教授团队成功制备一种多孔结构增强的液态金属纤维基应变、压力传感器

文摘   科技   2024-09-24 11:35   湖北  

传统的柔性可穿戴传感器一般由薄膜状或块状的基底材料与传感材料组合而成,薄膜状或块状的材料佩戴在身体各个部位时,随着时间的增长,身体易产生不适感。纤维基传感器因其出色的透气性和对复杂表面的适应性受到越来越多的关注,然而,提高纤维传感器的灵敏度仍是一项艰巨的挑战。吕永钢教授课题组依次采用氯化钠颗粒和热塑性聚氨酯(thermoplastic polyurethane, TPU)溶液的混合液、TPU溶液和去离子水组成的纺丝溶液,通过三层同轴湿法纺丝获得中空双层纤维。随后,将液态金属(liquid metal, LM)注入中空纤维,得到了一种LM多孔纤维基应变、压力传感器。

在此项研究中,应变传感器具有高灵敏度(GF=3.32)、宽线性范围(0-250%)、快速响应时间(0.125 s)、出色的稳定性和循环耐久性(循环1000次)的优良特性。应变传感器可监测人手肘、手指、手腕以及喉部关节的运动信号。压力传感器在0 ~ 0.06 MPa 0.06 ~ 8 MPa的压力范围内,灵敏度比对照组分别提高了6.00 ± 1.70倍和3.42 ± 0.31倍,多孔结构显著提高了压力传感器的灵敏度。同样的,压力传感器具有高灵敏度(S=0.2403 kPa-1, 0.0098 kPa-1)、宽线性范围(0~0.06 MPa, 0.06~8 MPa)快速响应时间(0.50 s)出色的稳定性和循环耐久性(循环1000次)的优良特性。压力传感器可以模拟摩斯电码传递信息。将传感纤维编织进一块棉麻布中,制备出了一块10 × 10传感阵列垫,该传感阵列垫具有良好的压力分辨能力。此研究为设计和制造高性能纤维基传感器提供了有效的策略

该研究最近被ACS Applied Electronic Materials (IF=4.3, JCR 1)接收课题组研究生汤家博同学为本论文的第一作者,吕永钢教授为通讯作者。该研究受到国家自然科学基金资助项目(U23A2070)、湖北省自然科学基金(2022CFA023)和湖北省教育厅科学技术研究项目(B2023061)的资助。


参考文献:

Tang J. B., Zou Y., Liu C. F., Lv Y. G.*Liquid metal fiber-based high-sensitivity strain and pressure sensors enhanced by porous structure ACS Applied Electronic Materials, in press, 2024.


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力学生物学与再生医学实验室
实验室创建于2009年,以“勤奋踏实、求真务实、学会感恩、实现梦想”为科学研究和人才培养理念,致力于考察力-化学微环境对韧带、周围神经和骨等组织修复以及乳腺肿瘤细胞粘附和转移的作用及其力学生物学机制。
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