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《先进功能材料》用于可穿戴的生物相容性应力应变传感器

2019/1/10 19:14:06??????来源:威尼斯9778官方网站 点击:

软材料封装的导电液体传感器由于其高灵敏度、长寿命、低成本和简单的制造工艺而被广泛用于可穿戴机器人中。最受欢迎的导体是液态金属,例如,基于共晶镓铟的传感器已用于人造皮肤和软感应手套的应变和应力的测量。然而,使用基于应力变化的流体传感器难以获得较好的线性响应,而传感器采用的大多数导电液体对于人体也并不安全。尽管最近用于外科手术的电解质-甘油溶液被证明具有良好的生物相容性,但是其电导率相对较低,并且该溶液的材料性质尚未被彻底研究。

近日,哈佛大学鲍尔森工程与应用科学学院的Robert J. Wood教授出了一种由碘化钾和甘油(KI-Gly)组成的新型生物相容性导电液体,与现有的生物相容性溶液相比,其导电性提高了四倍,并且在空气中表现出较好的稳定性。

本文的应力传感器由一种新型多层结构组成,实现了高分辨率、高线性度和低滞后。此外,研究者还探讨了15.0-65.0°C和40.0-80.0%RH范围内传感器的响应行为。其结果表明,虽然传感器的基线电阻因外部环境而变化,但它们的灵敏度保持相对稳定。最后,研究者成功将该流体传感器应用于人体运动跟踪实验中。通过传感器测量和运动捕捉实验,充分说明传感器可以成功地跟踪人体运动并测量其相互作用力。该应力应变传感器同时具备高生物相容性、稳定性和准确的传感性能不仅有望用于动作捕捉,还可以推进健康监测设备、手术器械和人机交互设备的发展。

相关成果以题目为“Biocompatible Soft Fluidic Strain and Force Sensors for Wearable Devices”的研究论文发表在期刊《Advanced Functional Materials》上。

图文简介

图一 a)传感器通道中KI-Gly溶液的传导机制示意图。 b)甘油,KI-Gly溶液和NaCl-Gly溶液在5.0-50.0℃温度范围内的粘度变化。 c)应变传感器的结构示意图。 d-f)证明软应变传感器的拉伸性和柔韧性,d)原始长度,e)拉伸状态,和f)扭曲状态。

图二 导电液体软应变传感器的表征。 a)不同拉伸速度下,应变与电阻变化(ΔR/ R0)的函数关系。 b)在频率为1.5和10Hz条件下,传感器的响应变化图。 c)1000次循环拉伸试验的初始和最后10个循环的实验电阻变化(ΔR/ R0)。 d)1000次循环弯曲试验的初始和最后10个循环的实验电阻变化(ΔR/ R0)。 e)各种曲率和0%,50%和100%应变下的应变传感器的电阻变化。f)拉伸前后的应变传感器示意图。


图三 a)应力传感器的示意图和具有圆柱形填料的通道的横截面。 b)微柱充填通道的俯视图。 c)微柱填充通道的断面图。 d)在紫外光下观察力传感器,其中标记有传感层和应力放大层。

图四 温度对应力应变传感器电阻和灵敏度的影响。 a)应力应变传感器在40%相对湿度,温度范围为15.0至65.0℃的湿度箱中的电阻变化。 b)电阻与温度的拟合关系及其线性拟合的函数。 c)在10.0℃、室温和40.0℃时,应变传感器电阻与应变的函数关系。 d)在10.0℃、室温和40.0℃时,应变传感器电阻与应。

图五 湿度对于传感器的影响。 a)在25.0℃下不同湿度,应变传感器的电阻变化与时间的关系。 b)温度和湿度对传感器电阻的综合影响。 c,d)在环境湿度60.0%和80.0%下放置72小时后,传感器电阻变化(ΔR/ R0)与应变和应力的关系图。

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