中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院：用于具有寬量程和超高靈敏度的柔性壓力傳感器的仿生納米纖維-瓊脂復(fù)合材料

研究背景

得益于人工智能技術(shù)和柔性電子技術(shù)的快速發(fā)展，近年來(lái)，類(lèi)似皮膚的觸覺(jué)傳感器的研究取得了重大進(jìn)展。這些傳感器能夠感知溫度、應(yīng)變、壓力或各種外部刺激，已成為人機(jī)交互、智能傳感和醫(yī)療保健領(lǐng)域不可或缺的工具。與人體皮膚類(lèi)似，類(lèi)似皮膚的感覺(jué)設(shè)備將外部壓力刺激轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后通過(guò)電路進(jìn)行收集和分析?；陔娐返臏y(cè)量原理，皮膚狀觸覺(jué)傳感器可分為電阻式、電容式、離子式、壓電和摩擦電傳感器。盡管在開(kāi)發(fā)具有各種仿生結(jié)構(gòu)的觸覺(jué)傳感器方面取得了重大進(jìn)展，如突觸、皺紋、絨毛和纖維網(wǎng)絡(luò)，但開(kāi)發(fā)檢測(cè)閾值低、靈敏度高、響應(yīng)范圍寬的類(lèi)皮膚傳感設(shè)備仍面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

文章概述

中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院李春寶團(tuán)隊(duì)受人體皮膚的觸覺(jué)傳感機(jī)制和分層結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，利用靜電紡絲和液滴注入的方法，設(shè)計(jì)出一種具有內(nèi)部分級(jí)剛度特性和表面半嵌入式微結(jié)構(gòu)的納米纖維-離子凝膠(NFIG)復(fù)合材料。該凝膠模擬了人體皮膚的分層納米纖維結(jié)構(gòu)及其離子感應(yīng)機(jī)制，由注入高彈性聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)納米纖維的離子凝膠組成。這項(xiàng)研究探討了楊氏模量和外部壓力對(duì)單位電容的影響，并建立了一個(gè)纖維-凝膠復(fù)合模型，以評(píng)估纖維如何影響傳感器的性能，包括離子通量、位移和電動(dòng)勢(shì)的變化。基于以上研究，設(shè)計(jì)出了NFIG傳感器，它具有超高靈敏度(>10,000kPa-1)、寬壓力范圍(～1000kPa)和超強(qiáng)穩(wěn)定性(超過(guò)5000次循環(huán)）。此外，該傳感器用途廣泛，可用于各種人體監(jiān)測(cè)環(huán)境、陣列配置，甚至滑板監(jiān)測(cè)。

圖文導(dǎo)讀

1. 傳感器設(shè)計(jì)

受皮膚柔性彈性納米纖維結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，引入了高彈性納米纖維，并成功構(gòu)建了具有半嵌入式微結(jié)構(gòu)和內(nèi)部梯度剛度的NFIG傳感器。使用NFIG構(gòu)建的傳感器具有獨(dú)特的三明治結(jié)構(gòu)，上下兩層均為織物電極。中間層是NFIG，可分為三部分：納米纖維、納米纖維凝膠和離子凝膠。這三個(gè)部分各司其職，為NFIG傳感器提供所需的卓越性能。首先，NFIG表面具有納米纖維紋理，類(lèi)似于人體皮膚外部的紋理，可對(duì)外界變化保持敏感；其次，NFIG內(nèi)部分散排列的納米纖維凝膠類(lèi)似于皮膚中的膠原纖維，可增強(qiáng)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，抵御外部壓力帶來(lái)的變形；最后，底部的離子凝膠為整個(gè)傳感器提供了一個(gè)柔軟的基底，可承受較大的壓力。

圖1 皮膚啟發(fā)式NFIG傳感器簡(jiǎn)介。(a)人體皮膚結(jié)構(gòu)示意圖；(b)NFIG傳感器的仿皮膚設(shè)計(jì)示意圖；(c)NFIG傳感器的掃描電子顯微鏡橫截面；(d)NFIG表面顯微照片；(e)單個(gè)傳感器的制備；(f)55個(gè)陣列傳感器的制備流程。

2.傳感器機(jī)理分析

離子凝膠是由聚乙烯醇形成的大分子，自由陰離子和陽(yáng)離子。由于電極表面電壓的存在，在界面與離子凝膠之間的德拜長(zhǎng)度(亥姆霍茲層)內(nèi)形成電容器，分別記為CH1和CH2。中間層還有一個(gè)電容器，記為CD。因此，該傳感器的整體電容值是CH1與CH2的串聯(lián)組合，然后與CD并聯(lián)。當(dāng)施加壓力時(shí)，離子凝膠中的陰離子和陽(yáng)離子被加速，導(dǎo)致上下電極之間的電容發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)傳感。當(dāng)離子凝膠中存在PVDF-HFP纖維時(shí)，表面存在表面微結(jié)構(gòu)，內(nèi)部存在高彈性納米纖維網(wǎng)絡(luò)，形成具有梯度剛度的NFIG。首先，表面微結(jié)構(gòu)的存在導(dǎo)致初始接觸面積減小，從而降低了CH1。其次，高彈性PVDF-HFP纖維的引入不僅有助于抵抗外部壓力導(dǎo)致的離子凝膠明顯變形，而且還加速了離子遷移。因此，PVDF-HFP纖維從三個(gè)方面改善了離子凝膠的特性，顯著提高了NFIG傳感器的傳感性能。

圖2 不同模型的模擬和NFIG傳感原理。(a)NFIG的掃描電鏡；(b)有納米纖維結(jié)構(gòu)和無(wú)納米纖維結(jié)構(gòu)模型的電勢(shì)和密度的熱圖比較；(c)不同纖維直徑模型的電勢(shì)分布和(d)應(yīng)力位移的模擬數(shù)據(jù)曲線；(e)NFIG傳感器的原理示意圖。

3.傳感器性能

離子凝膠中的PVDF-HFP納米纖維類(lèi)似于人體皮膚。這增強(qiáng)了凝膠的抗壓強(qiáng)度和彈性，同時(shí)還在凝膠表面產(chǎn)生微突起，從而提高了傳感器的性能。在0–1kPa范圍內(nèi)，傳感器的平均靈敏度為10159.69kPa?1。在1–100kPa范圍內(nèi)，靈敏度為2328.9kPa?1，當(dāng)壓力增加到1000kPa時(shí)，靈敏度降低到226.52kPa?1。在10kPa至100kPa壓力循環(huán)期間的相對(duì)電容變化結(jié)果顯示，隨著施加壓力的增加，相對(duì)電容穩(wěn)步增加。當(dāng)沒(méi)有壓力時(shí)，相對(duì)電容很快恢復(fù)到初始狀態(tài)，表明所制造的電容器件能夠準(zhǔn)確感應(yīng)外部壓力，并表現(xiàn)出優(yōu)異的傳感特性。此外，將10克的重物快速放在設(shè)備表面，放置一段時(shí)間，然后取下，測(cè)量響應(yīng)時(shí)間。結(jié)果顯示，傳感器的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間分別約為120ms和80ms，這確保了傳感器的快速響應(yīng)。

圖3 NFIG 傳感器的傳感性能。(a)傳感器的測(cè)量原理、響應(yīng)曲線以及1h-2g傳感器在(b)0-1000kPa、(c)0-100kPa下的線性擬合結(jié)果。(d)傳感器在不同壓力(10kPa至100kPa)下的電容響應(yīng)。(e)傳感器的響應(yīng)時(shí)間。(f)傳感器的檢測(cè)極限。(g)傳感器在100kPa下5000次循環(huán)的穩(wěn)定性。

4.傳感器應(yīng)用演示

為了評(píng)估NFIG傳感器在可穿戴人體應(yīng)用中的有效性，通過(guò)將傳感器策略性地放置在身體的不同部位，能夠準(zhǔn)確地觀察和記錄一系列運(yùn)動(dòng)信號(hào)，包括面部表情、脈沖和手部關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。傳感器可以精確跟蹤脈搏、面部表情和吞咽最細(xì)微變化。這證明了傳感器捕捉復(fù)雜細(xì)節(jié)的能力，從而能夠?qū)ι眢w的反應(yīng)進(jìn)行徹底的分析。為了模擬人體皮膚的特性，創(chuàng)造了一種基于激光的陣列電極，以及可以分布在大面積上的NFIG傳感器。這些類(lèi)似于皮膚的大面積陣列電容傳感器可以部署在不同的空間位置，具有各種表面拓?fù)浜颓剩瑥亩軌蚬烙?jì)物體的大小、重量和不規(guī)則物體的力點(diǎn)。

圖4 用于人體信號(hào)監(jiān)測(cè)和陣列應(yīng)用的梯度硬度傳感器。傳感器用于(a)人體脈搏測(cè)試、(b)面部表情測(cè)試、(c)吞咽喉嚨測(cè)試、(d)肘關(guān)節(jié)彎曲角度測(cè)試、(e)握力運(yùn)動(dòng)測(cè)試、(f)體重變化測(cè)試；5×5傳感器陣列用于(g)單點(diǎn)重量(20克)測(cè)試、(h)大質(zhì)量重量(500克)測(cè)試和(i)不規(guī)則物體(手部模型)測(cè)試。

該NFIG傳感器還可以應(yīng)用于滑板運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。放置在滑板錨上的8個(gè)傳感器、硬件電路、電池、滑板和一臺(tái)主機(jī)共同組成滑板運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。主機(jī)記錄不同滑板動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)集，并利用深度學(xué)習(xí)最終識(shí)別滑板動(dòng)作。記錄了常規(guī)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動(dòng)作，每個(gè)動(dòng)作45組數(shù)據(jù)，共計(jì)180組數(shù)據(jù)。并使用一維卷積深度算法，結(jié)合SoftMax，通過(guò)使用數(shù)據(jù)集的四分之三作為訓(xùn)練集，其余數(shù)據(jù)集作為測(cè)試集，對(duì)動(dòng)作進(jìn)行分類(lèi)。對(duì)算法進(jìn)行分類(lèi)測(cè)試，平均準(zhǔn)確率為95.45%。該傳感器具有傳感范圍寬、靈敏度高的特點(diǎn)，在運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和運(yùn)動(dòng)輔助判斷方面具有潛在的應(yīng)用前景。

圖5 用于滑板運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用的NFIG傳感器。(a)滑板運(yùn)動(dòng)檢測(cè)流程；不同滑板運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)圖：(b)常規(guī)，(c)蒙戈腳，(d)左轉(zhuǎn)，(e)右轉(zhuǎn)；(f)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)流程圖；以及(g)滑板識(shí)別分類(lèi)測(cè)試混淆矩陣。

結(jié)論

本研究模仿人體皮膚的層狀納米纖維結(jié)構(gòu)和富含離子的成分，成功研制出納米纖維離子凝膠(NFIG)。靜電紡絲制備的高模量PVDF-HFP納米纖維與離子凝膠的結(jié)合不僅在NFIG復(fù)合材料表面構(gòu)建了半嵌入式微結(jié)構(gòu)，而且納米纖維網(wǎng)絡(luò)的存在提高了離子凝膠的離子遷移和變形能力，同時(shí)不影響凝膠的抗壓能力。利用 NFIG設(shè)計(jì)出了一種性能優(yōu)異的柔性電容傳感器。該傳感器具有超高靈敏度(>10000kPa-1)、寬壓力范圍(～1000kPa)、低檢測(cè)限(5Pa)、快速響應(yīng)時(shí)間(120ms)、快速恢復(fù)時(shí)間(80ms)和出色的穩(wěn)定性(～5000次循環(huán))。在提高傳感性能的同時(shí)，它還保持了基底的靈活性，是各種人體監(jiān)測(cè)應(yīng)用、陣列應(yīng)用甚至運(yùn)動(dòng)跟蹤的理想選擇。

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.109140

來(lái)源： Go Cellulose
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