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一种可用于运动监测的三维结构防水透气电子皮肤

发表时间:2022-07-28      发表评论



皮肤作为人体的第一道防线,具有保护机体免受有害环境影响并与外界接触的功能。为模仿人类皮肤的多功能性,研究者们将目光投向电子皮肤。电子皮肤集成了多个传感器,能够同时监测温度、湿度和压力等刺激因素,在生物力学动传感器和人机界面等领域应用价值极大。然而,诸如穿戴舒适性、多种适用条件以及机械刺激的差异化等方面的挑战仍有待解决。

近期,澳门大学研究人员开发了一种防水透气的压力和应变传感电子皮肤,作为一种灵活的可穿戴传感器,该电子皮肤可以感知来自人体的不同机械刺激,并为人机界面系统产生不重叠的电信号。



由于材料的固有重力、表面张力和磁力的协同作用,在磁场下未固化的PDMS/CIP复合材料可以自动形成微纤毛阵列。在微纤毛固化过程中,环己烷(CH)的蒸发会在材料中形成多孔结构,从而赋予其透气性,其中导电碳纳米管(CNT)和炭黑(CB)的聚集对其起到辅助作用。研究者进一步对其工作机制进行研究发现,它可以根据机械刺激的类型提供不重叠的正负信号,从而以完全不重叠的读数感知压力和应变。



该电子皮肤可支持拉伸、扭转、卷曲等各种机械变形,并在外力解除后恢复到原始状态,因此可以附着在人体皮肤上进行健康监测、身体运动监测、人机交互等。考虑到拉伸过程中透气性和机械稳定性的平衡,研究者将CNT/CB的质量比固定为3:1,从而保证了合理的孔径和密度。相关试验证明,电子皮肤能够使累积的汗水迅速蒸发;将PDMS/CIP的质量比设定为10:2,不仅可为压力传感器提供有效的三维纤毛结构,而且使其保持了优异的机械稳定性。



电子皮肤的整个伸长范围(0~80%)可以覆盖大部分人体关节,如手指弯曲、颈部扭动或膝关节运动等,以实现对人体运动的监测。研究者进一步对电子皮肤的周期响应、长期稳定性、重复性和检测限等进行研究发现,该传感器在拉力和压力范围内以及周期性拉伸/释放循环下具有良好的稳定性,可长期使用并应用于具有可感知电反馈的微小应变的检测。此外,其表面的三维防水结构对消除诸如雨天等环境影响具有重要作用。



作为可穿戴应用的身体监测器,该电子皮肤不仅可以捕捉面部微表情和身体运动(如颈部扭动和膝关节弯曲),还可以监测皮肤的压力/张力和周期性的生理信号(如行走压力或呼吸频率)。基于输出信号的不重叠特性,该传感器可实现与机械臂的快速通信和多功能控制,是一种方便有效的终端。与二进制系统相比,信号不重叠的特性有助于建立一个三元系统,可以在不同的刺激下产生三元输入“1”“0”和“-1”,扩大了逻辑输出的命令能力。

相关工作以“Breathable and Waterproof Electronic Skin with Three-Dimensional Architecture for Pressure and Strain Sensing in Nonoverlapping Mode”为题发表在《ACS NANO》上。

稿件来源:纺织导报

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