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广西大学徐传辉团队《AM》:高性能、灵敏、可穿戴多功能传感器,用于人体运动和皮肤温度检测,中国机器人网,vrovro.com
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广西大学徐传辉团队《AM》:高性能、灵敏、可穿戴多功能传感器,用于人体运动和皮肤温度检测
2021年10月27日    阅读量:     新闻来源:中国机器人网 vrovro.com  |  投稿

柔性和可穿戴传感材料由各种传感器组成,可以检测和量化周围环境中的应变、压力和温度等多种刺激。由于其在广泛领域的潜在应用前景,近年来受到越来越多的关注。在各种可穿戴应用中,可穿戴传感器中的应变传感和温度传感是重要的研究领域中国机器人网vrovro.com。高应变灵敏度是准确检测人体引起的微弱变形(例如脉搏和心跳)到关节和肌肉运动引起的实质性变形的先决条件。同时,实时、连续的皮肤温度监测对于预测人体和热环境的认知状态以及疾病的早期诊断至关重要。然而,大多数可穿戴传感器的实际应用普遍受限于其拉伸性和灵敏度差、强度不理想、导电率较低以及感官功能单一等问题。

鉴于此,广西大学徐传辉教授团队报道了一种大型可拉伸和增强型多功能碳纳米管基传感器,这种传感器是基于羧基丁苯橡胶(XSBR)和亲水性丝胶(SS)的非共价修饰碳纳米管(CNTs)的氢键交联网络制成的。该多功能传感器可同时检测微弱和大变形,其具有1%的低检测极限应变,高达217%的高拉伸性,12.58 MPa的卓越强度,高灵敏度,应变系数高达25.98,0.071 S/m的高电导率,以及0.504 wt%的较低渗透阈值,可以组装成多功能传感器来检测人体运动。此外,所制备的传感器还具有令人印象深刻的热响应(0.01636 °C-1),并实现了在人体温度测量中的应用。多功能XSBR/SSCNT传感器还具有实时和原位生理信号的集成跟踪能力,为开发可穿戴人工智能在人类健康和运动应用中提供了一条有前途的途径。相关工作以“A High-Performance, Sensitive, Wearable Multifunctional Sensor Based on Rubber/CNT for Human Motion and Skin Temperature Detection”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。


传感器的设计原理、制备和表征

XSBR和丝胶改性的碳纳米管通过乳胶成膜法制备导电橡胶薄膜,橡胶薄膜受益于XSBR和碳纳米管独特的个性和互补特性(图1)。碳纳米管独特的结构和卓越的性能使其成为橡胶的理想填料。作者选择含有大量亲水性氨基酸的丝胶作为改性剂,以提高碳纳米管在橡胶基质中的分散性,而不会对碳纳米管造成任何化学破坏。发现丝胶能够使碳纳米管在XSBR基质中均匀分散,而无需任何人工添加剂的帮助。FTIR、拉曼光谱和XPS用于验证XSBR/SSCNT传感器中的化学结构和氢键交联网络的形成(图2)。结果表明,少量丝胶修饰的碳纳米管与XSBR的极性羧基形成氢键交联网络,使XSBR/SSCNT传感器具有相当的机械和电学性能。

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图1 XSBR/SSCNT传感器的制造过程和表征

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图2 XSBR/SSCNT传感器的相互作用表征

传感器的机械性能、电导率和灵敏度

由于碳纳米管的均匀分散和出色的增强,XSBR/SSCNT传感器表现出所需的柔韧性和机械强度。XSBR/SSCNT传感器可以轻松拉伸到其原始长度的200%甚至400%,而不会断裂(图3)。随着碳纳米管含量从1wt%增加到5wt%,极限应力从7.07 MPa增加到12.58 MPa。XSBR/SSCNT传感器的电导率随着CNTs含量的增加呈增加趋势(图4)。从纯XSBR的4.56×10-8 S m-1到XSBR/SSCNT-7的0.1567 S m-1,可以发现电导率快速提高了6个数量级。XSBR/SSCNT-5的高电导率和机械强度表明同时提高电导率和机械性能是可行的。XSBR/SSCNT传感器的检测极限通过施加逐渐减小的阶跃应变来证明。得益于在小应变范围内的良好灵敏度,检测限可低至1%。

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图3传感器的应变性能

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图4 XSBR/SSCNT传感器的机电特性


传感器的感温特性、可穿戴演示和实际应用

XSBR/SSCNT-5温度传感器的相对电阻变化随着温度从30°C升高到100°C而减小,并且获得的TCR值(1.636%°C-1)超过了大多数先前报道的温度值传感器(图5)。XSBR/SSCNT传感器可用于区分和监测手腕运动,XSBR/SSCNT传感器还可连接到商用牛仔裤/紧身裤上以检测和区分膝关节的不同运动条件(伸展/弯曲、蹲下、跳跃、慢走和快走、慢跑和跑步),如图6所示。传感器也可以快速准确地检测到人体微弱的运动(脉搏、面部表情、说话和呼吸)。作者建立了由灵活的XSBR/SSCNT传感器、带蓝牙模块的数字万用表和手机组成的无线检测系统,以证明人体运动监测的可行性(图7)。可穿戴柔性传感器通过数字万用表采集和处理人体活动,手机中的APP可以实时监测电阻变化。此外,XSBR/SSCNT传感器还可应用于温度测量体温。


小结:作者提出了一种灵活、可穿戴的XSBR/SSCNT多功能传感器,具有集成特性,包括优异的机械性能(应力高达12.58MPa,应变高达217%)、高灵敏度(应变系数高达25.98)、检测限低(1%应变)、高电导率 (0.071 S m-1)、较低的渗透阈值(0.504 wt%)和有利的温度系数(0.01636 °C-1),这是通过简单的乳胶成膜方法轻松制造的。亲水性丝胶修饰的碳纳米管与XSBR形成氢键,并在XSBR基质中具有更好的分散性,解决了强度、拉伸性、导电性和渗透阈值之间长期存在的难题。此外,XSBR/SSCNT传感器对拉伸变形表现出高灵敏度,可以组装成通用传感器来检测人体的大运动和弱运动。同时,令人满意的热敏容量满足了实时和连续皮肤温度监测的需求。由于这些特性,这种XSBR/SSCNT多功能传感器被认为是一个多功能和自适应平台,允许广泛的潜在应用。


标签:技术中心今日头条人工智能医用机器人
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