研究背景

在柔性傳感與健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)寬壓力范圍、超高靈敏度與長(zhǎng)期信號(hào)穩(wěn)定性一直是技術(shù)難點(diǎn)。傳統(tǒng)傳感器在高負(fù)載下易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)硬化與信號(hào)漂移，限制了其在動(dòng)態(tài)生物力學(xué)監(jiān)測(cè)中的可靠應(yīng)用。盡管已有研究通過(guò)微結(jié)構(gòu)或梯度設(shè)計(jì)提升性能，但多數(shù)仍面臨制備復(fù)雜、界面不穩(wěn)定或反應(yīng)不均等挑戰(zhàn)。

文章簡(jiǎn)介

近日，中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院、重慶大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究團(tuán)隊(duì)在《ACS Sensors》上發(fā)表最新研究。

該團(tuán)隊(duì)受人體皮膚梯度模量結(jié)構(gòu)啟發(fā)，提出了一種梯度模量離子電子傳感器（GMIS），通過(guò)將微結(jié)構(gòu)離子凝膠與玻璃纖維增強(qiáng)基質(zhì)結(jié)合，僅用兩層結(jié)構(gòu)即實(shí)現(xiàn)了0–3 MPa寬壓域下的超高靈敏度（2904 kPa?1）與低信號(hào)漂移（11.8%）。該傳感器在動(dòng)態(tài)負(fù)荷下表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，并可與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)踝關(guān)節(jié)力矩的高精度預(yù)測(cè)，相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.91。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acssensors.5c02354

研究?jī)?nèi)容 01 梯度模量結(jié)構(gòu)與工作機(jī)制

GMIS采用自上而下的模量梯度設(shè)計(jì)，軟層優(yōu)先變形以擴(kuò)大接觸面積，硬層逐步承壓，延緩結(jié)構(gòu)硬化，提升靈敏度與動(dòng)態(tài)范圍。

Fig. 1.GMIS的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作機(jī)制

02

玻璃纖維增強(qiáng)與抗漂移機(jī)制

玻璃纖維與PVA鏈形成強(qiáng)氫鍵網(wǎng)絡(luò)，顯著抑制粘彈性蠕變，將信號(hào)漂移從均勻結(jié)構(gòu)的62.28%降至11.8%，提升長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

Fig. 2. GMIS結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能表征

03 傳感性能與動(dòng)態(tài)響應(yīng)

GMIS在0–100 kPa范圍內(nèi)靈敏度達(dá)2904 kPa?1，約為均勻結(jié)構(gòu)的兩倍；響應(yīng)時(shí)間260 ms，恢復(fù)時(shí)間78 ms，適用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

Fig. 3.GMIS的傳感性能

04 多場(chǎng)景生理信號(hào)監(jiān)測(cè)

成功應(yīng)用于脈搏、肌肉活動(dòng)、吞咽、指關(guān)節(jié)彎曲等生理信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，并構(gòu)建八通道壓力鞋墊系統(tǒng)，結(jié)合CNN實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)力矩的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。

Fig. 4. GMIS在人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

05 性能驗(yàn)證

在100 kPa下循環(huán)15000次仍保持穩(wěn)定；

在3 MPa下循環(huán)3000次響應(yīng)僅衰減8.5%；

CNN預(yù)測(cè)踝關(guān)節(jié)力矩的Pearson相關(guān)系數(shù)達(dá)0.91–0.93（行走/跑步）與0.87–0.91（跳躍）；

溫濕度變化下信號(hào)波動(dòng)可控，具備良好環(huán)境適應(yīng)性。

Fig. 5. 基于GMIS的壓力鞋墊系統(tǒng)與步態(tài)分析

結(jié)論與展望

本研究提出了一種基于皮膚啟發(fā)的梯度模量離子電子傳感器，通過(guò)材料與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，成功實(shí)現(xiàn)了寬壓域、高靈敏度與低漂移的協(xié)同。GMIS具備制備簡(jiǎn)單、成本低、可擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)，適用于運(yùn)動(dòng)康復(fù)、步態(tài)分析與長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)，為下一代可穿戴生物力學(xué)傳感器提供了可行的材料與系統(tǒng)級(jí)解決方案。

來(lái)源：FlexFrontiers