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，類似皮膚的觸覺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。與人體皮膚類似，類似皮膚的感覺設(shè)備將外部壓力刺激轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后通過電路進(jìn)行收集和分析。基于電路的測量原理，皮膚狀觸覺傳感器可分為電阻式、電容式、離子式、壓電和摩擦電傳感器。盡管在開發(fā)具有各種仿生結(jié)構(gòu)的觸覺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)，但開發(fā)檢測閾值低、靈敏度高、響應(yīng)范圍寬的類皮膚傳感設(shè)備仍面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

文章概述

中國人民解放軍總醫(yī)院李春寶團(tuán)隊(duì)受人體皮膚的觸覺傳感機(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)測環(huán)境、陣列配置，甚至滑板監(jiān)測。

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，類似于人體皮膚外部的紋理，可對外界變化保持敏感；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)和無納米纖維結(jié)構(gòu)模型的電勢和密度的熱圖比較；(c)不同纖維直徑模型的電勢分布和(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)期間的相對電容變化結(jié)果顯示，隨著施加壓力的增加，相對電容穩(wěn)步增加。當(dāng)沒有壓力時(shí)，相對電容很快恢復(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)人體脈搏測試、(b)面部表情測試、(c)吞咽喉嚨測試、(d)肘關(guān)節(jié)彎曲角度測試、(e)握力運(yùn)動(dòng)測試、(f)體重變化測試；5×5傳感器陣列用于(g)單點(diǎn)重量(20克)測試、(h)大質(zhì)量重量(500克)測試和(i)不規(guī)則物體(手部模型)測試。

該NFIG傳感器還可以應(yīng)用于滑板運(yùn)動(dòng)檢測。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)集作為測試集，對動(dòng)作進(jìn)行分類。對算法進(jìn)行分類測試，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)測應(yīng)用的NFIG傳感器。(a)滑板運(yùn)動(dòng)檢測流程；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)別分類測試混淆矩陣。

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

來源： Go Cellulose
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