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  多功能傳感系統(tǒng)已經(jīng)引起科研人員越來越多的關注。以可穿戴人體傳感器為例，同時具備拉伸、彎曲及擠壓信號感應靈敏度的傳感器必定是現(xiàn)代傳感系統(tǒng)的發(fā)展趨勢之一。然而，傳統(tǒng)二維傳感器件受構型及相應的工作原理的局限，很難實現(xiàn)對不同刺激信號快速有效的分揀任務。因此，設計開發(fā)出兼具高選擇性與高靈敏度的可穿戴集成傳感器，以實現(xiàn)對刺激信號精準的定性、定量分析，十分重要。

  日前，新加坡國立大學丁軍教授課題組在高選擇性、高靈敏度可穿戴傳感器的靈活制備方面取得最新進展。課題組成員使用氯化鈉摻雜的瓊脂糖凝膠（NaCl@AG）作為離子導電材料，通過3D打印制備可定制化彈性體塑性器 （3D Printed Elastic Hollow Part）對離子導電材料實現(xiàn)空間立體塑性；結合3D 打印的微米級多孔銅電極（3dp-Cu），開發(fā)出一種具有3D構型的集成傳感器（Integrated Sensor）。該傳感器可同時檢測、分類外力的種類及大小，在多功能可穿戴傳感系統(tǒng)（Wearable Sensing System）方面具有廣泛應用前景。同時，瓊脂糖凝膠獨特的溶膠－凝膠轉(zhuǎn)變性質(zhì)（熱可逆），使該傳感器制備簡單，并可快速實現(xiàn)彈性體塑性器的重復使用（熱水浸泡，洗去離子導電材料即可）。該研究成果近期在線發(fā)表在《化學工程期刊》（Chemical Engineering Journal）上 。

圖一 多功能3D集成可穿戴傳感器的制備示意圖 

  通過一系列實驗，研究人員分析發(fā)現(xiàn)：3D彈性體塑性器的微型孔道結構對傳感器性能表現(xiàn)有著直接影響。例如，直通道和彈簧通道傳感器分別表現(xiàn)出優(yōu)異的拉伸（彎曲可忽略）、彎曲（拉伸可忽略）檢測靈敏度；而介于二者之間的二維“ S”型通道傳感器，則同時具備對拉伸信號與彎曲信號的感應能力（但靈敏度較低）。下一步，研究人員采用3D 打印技術將直通道和彈簧雙通道靈活地集成在同一個彈性體塑性器中，從而制備出一種多功能3D集成可穿戴傳感器 （3D-IWS）。通過采集分析雙通道信號，該傳感器可實現(xiàn)實時、精準檢測區(qū)分拉伸信號與彎曲信號的功能；并具備較高響應靈敏度與大范圍應變工作區(qū)間（0～500 %）。

圖二 多功能3D集成可穿戴傳感器的性能表征

圖三 多功能3D集成可穿戴傳感器的應用實例

  接下來，研究人員通過實例展示3D集成可穿戴傳感器在實時檢測人體活動方面的應用：手肘彎曲過程內(nèi)外側(cè)拉伸／彎曲情況（b1）。研究發(fā)現(xiàn)，當傳感器被固定在手肘內(nèi)側(cè)時，直通道測試結果幾乎為零（手肘彎曲過程中內(nèi)側(cè)幾乎無拉伸）；彈簧通道測試結果明顯（可精確檢測手肘內(nèi)側(cè)彎曲程度）（b2）。當傳感器被固定在手肘外側(cè)時，彈簧通道測試結果明顯（可精確檢測手肘外側(cè)彎曲程度）；同時，直通道也呈現(xiàn)明顯的測試結果（手肘彎曲過程中外側(cè)存在不同程度的拉伸）（b3）。上述簡單實例證實該類3D集成可穿戴傳感器較傳統(tǒng)二維傳感器明顯的優(yōu)異的信號區(qū)分選擇功能。

  該工作通過使用安全經(jīng)濟的高分子材料，結合新穎的3D打印塑形技術，便捷靈活地實現(xiàn)高性能、高靈敏度的多功能傳感器件的可定制生產(chǎn)。詳盡工作機理見論文原文。論文第一作者為課題組博士生蘇欣然和Ramadan Borayek，通訊作者丁軍教授。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.124503