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新型柔性传感器可拉伸电子皮肤,可用于人体动作捕捉和压力映射

发布时间:2023-09-08 浏览:1571次

近年来,柔性可穿戴电子产品因其在健康监测、运动检测和人机界面等领域的应用前景而备受关注。压力传感器作为一种传统的换能器,在过去的几十年里已经得到了深入的研究。根据其结构和原理,压力传感器主要分为压阻式、压电式和电容式三大类。其中,压阻式压力传感器将压力信号转换为电阻信号,具有成本低、灵敏度高、信号采集方便和传感范围宽等优点,因此已有广泛研究和报道。此外,通过与柔性衬底和先进功能材料的集成,压阻式压力传感器在电子皮肤(E-skin)领域占有重要地位。

柔性衬底、导电电极和活性传感材料是制造可穿戴压阻式压力传感器的关键。聚二甲基硅氧烷(PDMS),又称有机硅,是应用最广泛的柔性衬底之一。通过与可拉伸蛇形电极集成,硅基柔性电子器件具有较高的柔韧性和可拉伸性,适用于可穿戴压阻式压力传感器。

MXene是于2011年首次得到研究的一类由层状过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物构成的新型二维材料。由于其优异的导电性、层状结构和可调谐的表面性质,MXenes已经被应用于各种领域,例如储能、光电器件和电致变色器件等。然而,作为二维材料,原始MXenes由于其易于重新堆叠和横向尺寸小的缺点,不适合在柔性电子中应用。为了解决这些限制,引入了基于Mxenes的复合材料。通过将MXenes与其它材料组装在一起,可以将二者优异的性能结合起来,并弥补彼此的缺点。因此,基于Mxenes的复合材料是具有前景的制造可穿戴电子产品的活性传感材料。

石墨烯是一种含有单层碳原子并且呈六边形晶格结构的二维材料,自首次通过石墨的反复剥落而机械剥离以来,已经被广泛研究。石墨烯在室温下具有优异的电子迁移率,并且具有高柔韧性和高导热性以及良好的透明度。所有这些非凡的特性吸引了研究人员的注意力,并将其应用于导电电子学、柔性场效应晶体管、光电探测器和生物传感器等领域。

近期,石墨烯已经被用于制造柔性传感器。Ecoflex是一种具有低粘度、超柔韧性和优异拉伸性能的橡胶,是制造电子皮肤的良好候选材料。通过将MXene、石墨烯和Ecoflex混合,可以得到MXene/石墨烯/Ecoflex(MX/Gr/EF)复合材料,该复合材料具有优异的电学性能和高柔韧性。

据麦姆斯咨询报道,近期,来自香港城市大学(City University of Hong Kong)的研究人员开发了一种皮肤贴合的电子皮肤(E-skin)。该电子皮肤采用柔性聚二甲基硅氧烷衬底,集成了蛇形铜(Cu)电极,并且采用MX/Gr/EF复合材料作为活性传感材料,从而保证了传感器的柔韧性和可拉伸性。相关研究成果以“Skin-Integrated, Stretchable Electronic Skin for Human Motion Capturing and Pressure Mapping”为题发表在Advanced Sensor Research期刊上。


图1 轻薄柔韧的电子皮肤

该研究开发的电子皮肤不仅可以感知压力信号,还可以感知应变变化。此外,研究人员在132 kPa压力和1 Hz频率下对该电子皮肤进行了循环测试。结果发现,即使在132 kPa的压力下连续击打超过700次,该电子皮肤仍然完好无损,依旧可以工作。


图2 该电子皮肤的电学性能

此外,该电子皮肤与人体皮肤相容性好,灵敏度高,并且能够很好地附着在人体皮肤上。而且,只需将其固定在手背上,就可以检测到手指的弯曲角度。同时,该电子皮肤可以感知细微的人体活动,比如眨眼。


图3 用于人体动作捕捉的电子皮肤

最后,研究人员制作了一个4 × 4阵列电子皮肤来实现压力映射功能。如图4A所示,该4 × 4阵列电子皮肤模拟了单个电子皮肤的结构,其底部的聚二甲基硅氧烷衬底集成了蛇形阵列的铜电极,并且覆盖了MX/Gr/EF复合材料作为传感材料,最后封装了一层薄薄的聚二甲基硅氧烷。该阵列式电子皮肤的尺寸为75 mm × 50 mm × 1 mm,由16个单元组成,每个单元有一个面积为5 mm × 5 mm的传感区域,与单个电子皮肤具有的传感面积相同。如图4B所示,该阵列式电子皮肤可以很好地贴合在人体皮肤上,并且在拉伸、弯曲或扭转下都表现出良好的柔韧性和拉伸性。此外,该阵列式电子皮肤可以用于压力映射,如图4C所示。研究人员用手指在阵列式电子皮肤上轻敲“CITYU”的图案,结果显示出0.33左右的电阻变化响应率,这与人类手指轻敲单个电子皮肤时的响应率一致,如图4D ~ 4F所示。


图4 4 × 4阵列电子皮肤

综上所述,该研究制造了一种皮肤贴合的、可拉伸的压阻式电子皮肤。该电子皮肤可以同时用于拉伸和压力的传感,并且具有广泛的传感范围。通过将其配置在人体皮肤上,该电子皮肤不仅可以感知人类的动作,例如触摸、敲击、击打和手指弯曲等,还可以感知人类细微的动作,如眨眼。此外,通过与阵列结构集成,该电子皮肤还具有应用于压力映射领域的潜力。


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