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柔性感測及智能穿戴應用研究獲進展

柔性感測及智能穿戴應用研究獲進展

隨著智能材料和柔性電子學的迅速發展,為人體內外環境監測與預警,攜帶型醫療以及人機交互等智能穿戴應用開闢了全新的道路。感測器作為智能穿戴系統的核心,近年來受到了科研工作者的廣泛關注,在器件柔性、靈敏度等方面的研究更是取得了可觀的成果。然而,現有大部分柔性感測器仍存在需電源驅動、無方向識別性以及複雜大形變不穩定等難點,使得智能穿戴系統在健康監測以及人機交互等的實際應用受到極大限制,已成為發展智能穿戴攜帶型產品的瓶頸問題。

針對以上關鍵科學技術問題,科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員陳韋團隊在前期離子壓電智能材料研究基礎上,進一步發展了以納米複合材料為電極,離子聚合物為中間層的「三明治」結構柔性力學感測器件,實現了複雜大形變穩定性、無源自驅動以及方位識別等優異性能。從關鍵結構設計來看,所採用的打孔石墨烯(H-RGO)和單壁碳納米管(CNTs)交聯電極,既利於形成有效的離子遷移通道,又具有力、電學性能穩定的三維網路結構,從而保證了優異的大應變力學感測穩定性。結果顯示,在連續6000次大幅度彎曲循環測試中,電壓感測信號無明顯衰減。其次,基於離子壓電新機制,所產生的感測信號是源於材料變形過程中離子的各向異性傳輸累積,因而能夠實現對不同形變方向識別以及無源感測等新功能和新特性,大大改善了智能穿戴系統的集成度、便攜性。所集成的感測陣列,可以有效識別手指彎曲、手腕向上彎曲/向下彎曲/向內旋轉/向外旋轉等多維度手部動作。基於這些優勢,該團隊成功將其應用於靈巧手語識別和編譯過程,所發展的智能手套可以感知手語動作的變化,對不同構型甚至是細微變化、動作相近的手語做出精確的響應與識別;對發展穿戴式多尺度人體活動監測技術與產品開發具有重要的科研意義和應用價值。相關研究成果已發表在近期 ACS Nano 雜誌上。

該工作得到國家自然科學基金面上項目、中科院對外合作重點項目、江蘇省科技計劃項目(產業前瞻與共性關鍵技術)等的資助。

圖1.(a)離子形變感測器的製備過程;(b)器件組成結構;(c)H-RGO/CNTs界面電極結構

圖2.(a) 感測器的離子感測機理;(b) 器件對不同應變的響應;(c) 對方向的識別;(d) 循環穩定性

圖3.(a) 感測器的多維分辨能力;(b) 智能手套和手語監測識別

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