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深圳先進(jìn)院開發(fā)出高性能微流體柔性應(yīng)變傳感器
2020年07月21日 16:54:25
來源：深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 點(diǎn)擊量：3911
近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)工所微創(chuàng)中心研究員王磊、副研究員李暉團(tuán)隊(duì)，在利用波浪形微通道設(shè)計(jì)改善基于液態(tài)金屬的柔性應(yīng)變傳感器遲滯性、響應(yīng)時(shí)間和靈敏度方面的研究取得新進(jìn)展。相關(guān)研究成果以Superelastic, Sensitive, and Low Hysteresis Flexible Strain Sensor Based on Wave-Patterned Liquid Metal
【化工儀器網(wǎng) 科技前沿】近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)工所微創(chuàng)中心研究員王磊、副研究員李暉團(tuán)隊(duì)，在利用波浪形微通道設(shè)計(jì)改善基于液態(tài)金屬的柔性應(yīng)變傳感器遲滯性、響應(yīng)時(shí)間和靈敏度方面的研究取得新進(jìn)展。相關(guān)研究成果以Superelastic, Sensitive, and Low Hysteresis Flexible Strain Sensor Based on Wave-Patterned Liquid Metal for Human Activity Monitoring為題，發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。
柔性應(yīng)變傳感器已成為未來智能設(shè)備發(fā)展的重要研究方向，在人機(jī)交互、電子皮膚和運(yùn)動(dòng)監(jiān)控等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，柔性應(yīng)變傳感器已廣泛用于可穿戴電子設(shè)備中以獲取人體物理參數(shù)，但無論傳感材料的可拉伸性如何，小應(yīng)變變化的分辨率不足或加載/卸載狀態(tài)之間的滯后現(xiàn)象，限制了這些傳感器的各種應(yīng)用?；诖耍钲谙冗M(jìn)院微創(chuàng)中心醫(yī)學(xué)微系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)通過將液態(tài)金屬共晶鎵銦(EGaIn)嵌入到波浪形微通道柔性基底中，開發(fā)出一種微流體柔性應(yīng)變傳感器，其新型波浪形設(shè)計(jì)抑制了微通道的粘彈性，提高了變形恢復(fù)能力，改善了遲滯性和響應(yīng)速度。
該柔性應(yīng)變傳感器可承受高達(dá)320%的應(yīng)變且能夠正常工作，波浪形結(jié)構(gòu)能夠有效抑制微通道的粘彈性，遲滯性從6.79%提高到1.02%。此外，通過延長波浪形微通道長度，同時(shí)傳感器的靈敏度(GF=4.91)和分辨率得到提高，能夠檢測到低至0.09%的極微小應(yīng)變變化，響應(yīng)時(shí)間低至116ms。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該柔性應(yīng)變傳感器能夠被用于人體和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測，如手指、頸部、呼吸胸腔和機(jī)器人關(guān)節(jié)的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等，在可穿戴電子、運(yùn)動(dòng)識別、醫(yī)療健康和軟體機(jī)器人方面具有應(yīng)用前景。
李暉為論文通訊作者，研究助理陳靜為論文第一作者。研究工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)金和深圳市基礎(chǔ)研究等的支持。
圖1.直線型微通道傳感器和波浪形微通道傳感器的響應(yīng)曲線對比。(a，c)直線型應(yīng)變傳感器和(b，d)波浪形應(yīng)變傳感器的相對電阻分別在縱向和橫向負(fù)載下的變化；(e)直線型應(yīng)變傳感器和波浪形應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)；(f)直線型應(yīng)變傳感器和波浪形應(yīng)變傳感器在連續(xù)分布加載實(shí)驗(yàn)中的響應(yīng)曲線變化。
圖2.(a)增強(qiáng)的波浪形微流體應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)。(b)增強(qiáng)的波浪形微流體應(yīng)變傳感器表現(xiàn)出良好的適形性，柔韌性和可彎曲性。
圖3.增強(qiáng)的波浪形應(yīng)變傳感器作為可穿戴設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測人體和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。(a)人體手指彎曲/舒展時(shí)的信號響應(yīng)；(b)貼敷有傳感器的手指在抓取不同尺寸物體時(shí)的信號相對變化(1)燒杯(2)塑料杯(3)圓珠筆；(c)增強(qiáng)的波浪形傳感器在人體頸部彎曲和(d)胸腔呼吸等動(dòng)態(tài)循環(huán)加載下的輸出信號變化。(e)集成在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)上的柔性傳感器隨機(jī)器人不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的響應(yīng)曲線。
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