寧波材料所在自保護、人機互動柔性織物傳感器研究中取得進展
可穿戴柔性電子器件,因其柔性/拉伸性、質輕、成本低、便攜等特性,被廣泛應用于人體運動/人體健康的實時監(jiān)測、人機/腦機交互以及機器學習等領域。但目前仍存在靈敏度及響應速度較低、檢測下限較高、檢測范圍較窄等問題,器件基礎性能仍有待提高。同時,在真實的應用場景中,其亦存在穩(wěn)定性、抗環(huán)境干擾能力不高,規(guī);a困難等挑戰(zhàn)。要解決這些問題,設計性能優(yōu)異且多功能的材料體系以及合理的器件結構最為關鍵。
近年來,中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員陳濤團隊在高性能、多功能可穿戴柔性傳感器件方面取得了階段性的進展(ACS Nano, 2019, 3, 4368-4378;Nano Energy, 2019, 59, 422-433;Chem. Mater. 2018, 30, 4343-4354;J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 5140-5147;J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 6666-6671)。通過碳管/石墨烯二維薄膜與PDMS/Ecoflex等彈性體的有效復合,賦予了器件多重且優(yōu)異的性能,包括超高靈敏度、寬檢測范圍、低檢測下限,自粘附功能等,并在器件規(guī);a上進行了初步嘗試。 最近,該團隊在J. Mater. Chem. A上報道了一種自保護、可重復使用、高靈敏度的織物傳感器,題為Self-Protective, Reproducible Textile Sensor with High Performance towards Human-Machine Interaction (DOI: 10.1039/C9TA10744D)。在該工作中,研究人員針對織物基傳感器容易受到外界機械化學環(huán)境干擾的問題,特別是人體表皮的汗液、油脂以及穿戴磨損對器件的長期穩(wěn)定使用的阻礙,設計了一種超疏液、耐磨損、高靈敏度的電子織物(SPRET)。SPRET由三部分材料組成,包括織物基底,以及由通過化學鍵等強相互作用穩(wěn)定在織物表面的碳管導電網絡和多功能的聚合物涂層(圖1)。其表現(xiàn)出了對多種日常試劑的排斥,在膠帶磨損以及洗滌試驗后其疏液、傳感性能幾乎保持不變(圖2、3),并實現(xiàn)了在汗液/水環(huán)境下對人體運動的無損檢測以及對機器人的精準控制(圖4),以及在機器人學習上進行探索,使得堅硬的機器手在抓取脆性的物件如雞蛋時既能完成抓取任務,又能保證雞蛋不破碎(圖5)。所設計的柔性傳感器在長期、連續(xù)、可靠監(jiān)測人類行為方面表現(xiàn)出了實際性的應用潛能。 以上工作得到國家自然科學基金(51803226、51573203)、中科院前沿科學重點研究項目(QYZDB-SSW-SLH036)、中科院國際合作局(174433KYSB20170061)等的資助。 圖1 自保護、可重復使用的高靈敏織物傳感器 圖2 SPRET的制備與結構 圖3 SPRET對磨損、洗滌試驗表現(xiàn)出穩(wěn)定的疏液、傳感性能 圖4 SPRET在汗液/水環(huán)境下對機器人實現(xiàn)了精準控制 圖5 SPRET應用于機器人訓練
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