Multifunctional Wearable Device Based on Flexible and Conductive Carbon Sponge/Polydimethylsiloxane Composite
近年來(lái)，有關(guān)柔性電子設(shè)備的研究呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，特別是可穿戴的柔性應(yīng)力、應(yīng)變傳感器，在運(yùn)動(dòng)健身、健康監(jiān)測(cè)、醫(yī)療器械等方面具有良好的應(yīng)用前景。目前此類(lèi)傳感器多由具有三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力敏感材料與硅橡膠復(fù)合而成。而作為傳感器核心的應(yīng)力敏感材料主要是以碳納米管、石墨烯、金銀納米線等納米材料為起始原料，利用冷凍干燥法、模板法等工藝制備而成。但是這些材料存在制備工藝復(fù)雜、成本高以及不可再生等問(wèn)題。另外以應(yīng)力、應(yīng)變傳感器為代表的可穿戴設(shè)備，目前僅有健康檢測(cè)功能，尚未有將醫(yī)療功能與健康檢測(cè)功能集于一體的研究報(bào)道。例如，熱理療是一種常用的治療方法，廣泛用于治療關(guān)節(jié)腫痛，改善肌肉痙攣與炎癥等癥狀，但是傳統(tǒng)的熱療設(shè)備存在體積和重量較大，不易控溫等缺點(diǎn)，其應(yīng)用主要限制在醫(yī)院中。因此開(kāi)發(fā)一種廉價(jià)、制備工藝簡(jiǎn)單、且兼具健康檢測(cè)和醫(yī)療等功能于一體的智能傳感器，對(duì)可穿戴設(shè)備的發(fā)展意義重大。
隨著全球人口的增長(zhǎng)、城市化以及生活水平的提高，全世界每年有大量的紙張被制造并消費(fèi)。紙張消費(fèi)量的提高產(chǎn)生了大量的垃圾，循環(huán)利用紙張，不但可以解決環(huán)境問(wèn)題，而且可以保護(hù)森林。重慶大學(xué)航空航天學(xué)院的付紹云和李元慶教授團(tuán)隊(duì)，利用廢紙為起始原料，開(kāi)發(fā)出了一種低成本的多功能柔性壓力傳感器。該多功能傳感器的制備過(guò)程如圖1所示，首先將廢紙加入到水中進(jìn)行超聲分解，得到紙漿；然后利用冷凍干燥技術(shù)，將紙漿制成多孔狀的紙海綿；接著在高溫并有惰性氣體保護(hù)的環(huán)境下將紙海綿裂解成碳化海綿；最后利用硅橡膠將脆性的碳化海綿進(jìn)行封裝，即可制備出具有壓阻效應(yīng)的柔性壓力敏感材料。利用碳化海綿/硅橡膠復(fù)合材料所制備的柔性壓力傳感器具有響應(yīng)速度快、應(yīng)力響應(yīng)范圍大、工作頻率寬、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。此外，該柔性壓力傳感器具有良好的電加熱效果，通過(guò)對(duì)其工作電壓的調(diào)控，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器表面溫度的控制，可用做具有熱遼效果的可穿戴設(shè)備。同時(shí)，該壓力傳感器可以制備成智能手環(huán)，可實(shí)現(xiàn)人體脈搏信號(hào)的檢測(cè)，也可用于腕部熱理療；將該傳感器與腰帶整合，則可實(shí)現(xiàn)人體呼吸狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)；此傳感器還可與運(yùn)動(dòng)鞋進(jìn)行整合，所開(kāi)發(fā)的智能跑鞋可實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（如走、跑、跳等）的跟蹤。重慶大學(xué)的研究工作表明未來(lái)的傳感器，除了具有良好的信號(hào)監(jiān)測(cè)功能外，還將具有醫(yī)療、信號(hào)顯示等多種功能。未來(lái)的智能可穿戴設(shè)備必定圍繞著多功能一體化的趨勢(shì)進(jìn)行發(fā)展，為多功能傳感材料的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)指明了方向和想象空間。
圖1. 碳海綿基柔性可穿戴應(yīng)變傳感器制備流程圖
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http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.6b11196