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深圳先進院開發(fā)出高性能微流體柔性應變傳感器
2020年07月21日 16:54:25
來源：深圳先進技術研究院 點擊量：3958
近日，中國科學院深圳先進技術研究院醫(yī)工所微創(chuàng)中心研究員王磊、副研究員李暉團隊，在利用波浪形微通道設計改善基于液態(tài)金屬的柔性應變傳感器遲滯性、響應時間和靈敏度方面的研究取得新進展。相關研究成果以Superelastic, Sensitive, and Low Hysteresis Flexible Strain Sensor Based on Wave-Patterned Liquid Metal
【化工儀器網 科技前沿】近日，中國科學院深圳先進技術研究院醫(yī)工所微創(chuàng)中心研究員王磊、副研究員李暉團隊，在利用波浪形微通道設計改善基于液態(tài)金屬的柔性應變傳感器遲滯性、響應時間和靈敏度方面的研究取得新進展。相關研究成果以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。
柔性應變傳感器已成為未來智能設備發(fā)展的重要研究方向，在人機交互、電子皮膚和運動監(jiān)控等領域具有廣闊的應用前景。目前，柔性應變傳感器已廣泛用于可穿戴電子設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用。基于此，深圳先進院微創(chuàng)中心醫(yī)學微系統(tǒng)團隊通過將液態(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變傳感器，其新型波浪形設計抑制了微通道的粘彈性，提高了變形恢復能力，改善了遲滯性和響應速度。
該柔性應變傳感器可承受高達320%的應變且能夠正常工作，波浪形結構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%的極微小應變變化，響應時間低至116ms。實驗驗證該柔性應變傳感器能夠被用于人體和機器人的運動監(jiān)測，如手指、頸部、呼吸胸腔和機器人關節(jié)的不同運動狀態(tài)等，在可穿戴電子、運動識別、醫(yī)療健康和軟體機器人方面具有應用前景。
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研發(fā)計劃、國家自然科學基金、廣東省自然科學金和深圳市基礎研究等的支持。
圖1.直線型微通道傳感器和波浪形微通道傳感器的響應曲線對比。(a，c)直線型應變傳感器和(b，d)波浪形應變傳感器的相對電阻分別在縱向和橫向負載下的變化；(e)直線型應變傳感器和波浪形應變傳感器結構；(f)直線型應變傳感器和波浪形應變傳感器在連續(xù)分布加載實驗中的響應曲線變化。
圖2.(a)增強的波浪形微流體應變傳感器結構。(b)增強的波浪形微流體應變傳感器表現(xiàn)出良好的適形性，柔韌性和可彎曲性。
圖3.增強的波浪形應變傳感器作為可穿戴設備實時監(jiān)測人體和機器人的運動狀態(tài)。(a)人體手指彎曲/舒展時的信號響應；(b)貼敷有傳感器的手指在抓取不同尺寸物體時的信號相對變化(1)燒杯(2)塑料杯(3)圓珠筆；(c)增強的波浪形傳感器在人體頸部彎曲和(d)胸腔呼吸等動態(tài)循環(huán)加載下的輸出信號變化。(e)集成在機器人運動關節(jié)上的柔性傳感器隨機器人不同運動狀態(tài)的響應曲線。
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