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  應(yīng)力傳感器是把外部機(jī)械刺激轉(zhuǎn)換成電阻變化輸出的一種新型傳感器，其在人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、人體健康監(jiān)測(cè)、機(jī)器人等新興應(yīng)用領(lǐng)域中具有重大的應(yīng)用前景。衡量應(yīng)力傳感器性能有兩個(gè)重要指標(biāo)，一個(gè)是感應(yīng)靈敏度，另一個(gè)是工作形變范圍。

  近日，南開(kāi)大學(xué)梁嘉杰課題組首次利用了三種低維納米材料的協(xié)同效應(yīng)，很好地解決了應(yīng)力傳感器中高靈敏度與大工作形變的矛盾，極大的提高了應(yīng)力傳感器的器件性能。該傳感器可通過(guò)簡(jiǎn)單的、低成本的絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備。相關(guān)成果發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》，材料科學(xué)與工程學(xué)院梁嘉杰教授為通訊作者。

  “傳統(tǒng)的應(yīng)力傳感器中，如果要實(shí)現(xiàn)高的靈敏度就必須利用堅(jiān)硬的脆性的材料，而想保持大的工作形變范圍就需要用到具有優(yōu)秀柔性或彈性的材料，兩者間的矛盾一直成為應(yīng)力傳感器發(fā)展的重要難題。”梁嘉杰介紹，由于材料結(jié)構(gòu)的限制，傳統(tǒng)的應(yīng)力傳感器難以同時(shí)具有高的靈敏度以及大的工作形變范圍。梁嘉杰課題組設(shè)想能否利用多種納米功能材料的協(xié)同效應(yīng)，通過(guò)在剛性的具有層狀結(jié)構(gòu)主體材料中引入摩擦系數(shù)低的客體材料來(lái)提高主體材料的柔性，以此解決這個(gè)困擾科學(xué)家很長(zhǎng)時(shí)間的難題。

  基于此設(shè)想，梁嘉杰課題組利用三種低維材料的協(xié)同效應(yīng)——零維的富勒烯，一維的金屬銀納米線，以及二維的氧化石墨烯，制備出一種三元納米復(fù)合材料。其中，一維的具有線狀結(jié)構(gòu)的銀納米線提供優(yōu)異的導(dǎo)電性，二維的具有片層結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯提供材料的脆性以及可滑移的層狀結(jié)構(gòu)，零維的球狀的富勒烯具有潤(rùn)滑性，可以降低材料的內(nèi)摩擦，使得層狀氧化石墨烯可以滑移。同時(shí)，該新型的應(yīng)力傳感器可以通過(guò)印刷法一步打印成型，具有重復(fù)性好，制備過(guò)程簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)真正的產(chǎn)品化提供很好的材料基礎(chǔ)。

  該課題組還把該新型的可穿戴的應(yīng)力傳感器穿戴在人體不同部位，用于全范圍的人體運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)中，其中可以檢測(cè)人手腕上由于脈搏跳動(dòng)引起的微小的皮膚運(yùn)動(dòng)變化，并且把人體脈搏跳動(dòng)的3個(gè)特征峰清晰的檢測(cè)出來(lái)；同時(shí)，穿戴在頸部喉嚨位置，可以清楚的檢測(cè)出人體聲帶發(fā)聲并辨認(rèn)出不同的音節(jié)變化；此外，具有大形變的人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)變化也能檢測(cè)出來(lái)。

  梁嘉杰介紹，該傳感器可以在很大的工作形變范圍內(nèi)保持很高的響應(yīng)靈敏度，同時(shí)還具有響應(yīng)速度快，信號(hào)重復(fù)性好，工作穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。目前正在積極對(duì)接協(xié)調(diào)，推動(dòng)該應(yīng)力傳感器在與人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和人體健康監(jiān)測(cè)相關(guān)的可穿戴設(shè)備中得到應(yīng)用。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201800850