近年來,柔性可穿戴應(yīng)變傳感器在健康醫(yī)療監(jiān)測、人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)控以及人機(jī)交互等領(lǐng)域得到了巨大的關(guān)注。雖然在文獻(xiàn)中報(bào)道的柔性應(yīng)變傳感器一般可拉伸從而能監(jiān)測人體的運(yùn)動(dòng),但它們與皮膚的接觸會(huì)受到人體運(yùn)動(dòng)的影響而并不能總是與皮膚形成良好的共形接觸,因此會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的噪音。尤其是在凹形的皮膚表面或是皮膚會(huì)形成凹面的運(yùn)動(dòng),傳感器甚至?xí)糠峙c皮膚表面分離,從而無法準(zhǔn)確地監(jiān)測人體的運(yùn)動(dòng),甚至產(chǎn)生虛假的信號(hào)。這些噪音及虛假的信號(hào)嚴(yán)重的限制了柔性可穿戴傳感器的實(shí)際應(yīng)用。
針對這一問題,新加坡國立大學(xué)歐陽建勇教授課題組發(fā)明了一種可以總是與皮膚保持良好接觸的柔性可拉伸應(yīng)變傳感器。該器件具有粘附層和感應(yīng)層兩層結(jié)構(gòu),粘附層為具有生物相容性的水性聚氨酯(WPU, 圖1),感應(yīng)層為石墨烯/碳納米管的水性聚氨酯復(fù)合物。粘附層能保證該器件在人體運(yùn)動(dòng)過程中總是與皮膚形成良好的共形接觸,準(zhǔn)確地跟隨皮膚的變形而變形。與其他非粘附的柔性可拉伸應(yīng)變傳感器相比較,這些器件能產(chǎn)生顯著低的噪音和高的質(zhì)量的信號(hào)。不論是肌肉運(yùn)動(dòng)這樣的小應(yīng)變,還是關(guān)節(jié)大范圍運(yùn)動(dòng)的大應(yīng)變,該傳感器都能準(zhǔn)確監(jiān)測并產(chǎn)生良好的信號(hào)。當(dāng)該粘附應(yīng)變傳感器被貼附在不平整或者不規(guī)則皮膚表面時(shí),其對信號(hào)質(zhì)量的提升更加明顯。此外,該傳感器還能夠用于同時(shí)監(jiān)測來自兩個(gè)不同方向的運(yùn)動(dòng),這是普通非粘附的應(yīng)變傳感器所做不到的。
圖1. (a)可粘附柔性應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖,包括頂層感應(yīng)層以及底部的粘附層。(b)粘附水性聚氨酯(aWPU)的化學(xué)結(jié)構(gòu)。(c)aWPU的硬段及軟段成分。(d)aWPU硬段域及軟段域的微觀結(jié)構(gòu)示意圖。(e)硬段含量為25%、30%、35%及40%的aWPU照片。(f)aWPU-25%, aWPU-30%, aWPU-35% 和 aWPU-40%分散液的動(dòng)態(tài)光散射圖譜。
如圖2,當(dāng)用于監(jiān)測食指彎曲運(yùn)動(dòng)時(shí),可粘附應(yīng)變傳感器所產(chǎn)生的信號(hào)光滑且穩(wěn)定,相反,非粘附的應(yīng)變傳感器所產(chǎn)生的信號(hào)較為雜亂,且有明顯的噪音。這是因?yàn)榭烧掣絺鞲衅骺偸强梢院推つw表面形成良好的共形接觸,從而顯著降低噪音,而非粘附的應(yīng)變傳感器與皮膚的接觸容易收到運(yùn)動(dòng)的影響。
圖2. 傳感器在食指上的位置(a)示意圖及(b)照片。(c)當(dāng)食指彎曲時(shí)可粘附傳感器(右)和非粘附傳感器(左)所產(chǎn)生的信號(hào)。
該研究小組還對比了當(dāng)關(guān)節(jié)多方向運(yùn)動(dòng)時(shí),該粘附應(yīng)變傳感器較普通非粘附應(yīng)變傳感器的優(yōu)勢。比如,當(dāng)腕關(guān)節(jié)向下彎曲時(shí),皮膚表面形成凸面,非粘附應(yīng)變傳感器能夠跟隨彎曲角度的不同產(chǎn)生不同的電阻信號(hào),然而當(dāng)腕關(guān)節(jié)向上彎曲形成凹面時(shí),非粘附傳感器將會(huì)與皮膚表面分離,從而不產(chǎn)生信號(hào)。然而該干粘附應(yīng)變傳感器對不論是哪個(gè)方向的運(yùn)動(dòng),都能產(chǎn)生高質(zhì)量的信號(hào),且靈敏度更高。
圖3. (a)可粘附應(yīng)變傳感器和非粘附應(yīng)變傳感器監(jiān)測關(guān)節(jié)凸向運(yùn)動(dòng)及凹向運(yùn)動(dòng)的示意圖。(b)腕關(guān)節(jié)向下彎曲形成凸表面,向上彎曲形成凹表面。(c)可粘附應(yīng)變傳感器和(d)非粘附應(yīng)變傳感器監(jiān)測腕關(guān)節(jié)不同彎曲角度時(shí)的信號(hào)響應(yīng)。(e)可粘附應(yīng)變傳感器和(f)非粘附應(yīng)變傳感器連續(xù)監(jiān)測腕關(guān)節(jié)彎曲時(shí)的信號(hào)響應(yīng)。
該成果以” Wearable stretchable dry and self-adhesive strain sensors with conformal contact to skin for high-quality motion monitoring”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上,通訊作者為歐陽建勇教授,第一作者為來自浙江大學(xué)的訪問博士王珊。
原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202007495
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