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ag8亚洲游戏国际平台日本利用纳米网状压力传感

发布日期:2021-07-30 13:03

  据麦姆斯咨询报道,日本东京大学研究人员近日开发出一款人造皮肤贴片,该贴片不会影响其接触的人体皮肤的触觉灵敏度。

  据麦姆斯咨询报道,日本东京大学研究人员近日开发出一款人造皮肤贴片,该贴片不会影响其接触的人体皮肤的触觉灵敏度。这种新型超薄传感器由多层导电和电介质纳米网状结构制成,可用于假肢、机器人辅助手术、人机界面以及可穿戴医疗监测仪等各类应用。

  皮肤是人体最大的感觉器官,拥有丰富的神经元,它们不断地监测着环境中的刺激,ag8亚洲游戏国际平台并将这些信息传递至大脑。因此,优秀的人造皮肤必须能够复制这种能力。特别是电子皮肤需要高灵敏度的触摸传感能力,同时也能迅速响应外界施加的压力。

  为了实现上述目标,电子皮肤需要包含高密度的传感器,达到至少50 μm区域配备单个传感器的密度。但同时也需避免人类自然触觉的干扰,而事实证明,这实现起来非常困难。例如,人类指尖非常敏感,一小片仅几微米厚的塑料薄膜就足以削弱人的触摸感觉。

  “用于手指的可穿戴传感器必须非常薄。”日本东京大学Takao Someya研究团队成员、该论文第一作者Sunghoon Lee解释道,“但这显然会让传感器变得非常脆弱,容易因摩擦或反复物理作用而受到损坏。”

  Lee补充道,正是由于该原因,迄今为止开发的多数电子皮肤都相对较厚,如由集成纳米线的传感器阵列或微结构橡胶层制成的电子皮肤,它们可以根据压力而改变电容或电阻。

  相比之下,由Takao Someya研究团队共同开发的传感器则非常薄而且可渗透。该器件由两层构成,均采用了静电纺丝工艺,并基于Akihito Miyamoto及其同事在2017年提出的设计制造而成。第一层是绝缘网状物,由200 nm至400 nm的聚氨酯纤维构成;第二层是线路网状物,构成了该器件的功能性电子元件——平行板电容器。第二层主要由金在聚乙烯醇(PVA)支架上制成,PVA是一种常见于隐形眼镜的水溶性聚合物。一旦第二层制造完成,研究人员就会将PVA洗去,只留下金支撑物。最终的成品压力传感器厚度约为13 μm。

  (A)贴附在食指上的纳米网状压力传感器(比例尺:5mm),(B)以52°的倾斜角层压在聚酰亚胺膜上的纳米网状压力传感器的横截面SEM图像(比例尺:5μm)。ag8亚洲游戏国际平台

  当覆盖传感器的手指抓住物体时,电介质纳米网状层就会变形,从而导致两层之间的电容值发生变化。当研究人员根据电容—压力变化曲线的斜率来评估器件灵敏度时,发现传感器测量的握力值与裸手指的握力值相当(施加压力低于0.141 kPa?1范围的值小于1 kPa,施加压力高于0.010 kPa?1范围值则超过10 kPa)。

  “在18位测试对象的帮助下,我们对该传感器进行了严格的测试。”Lee表示,“该测试证实,执行相同的任务,与不携带传感器的对照组相比,携带组的传感器难以被察觉,既不影响通过摩擦力抓取物体的能力,也不影响其感知的灵敏度。这正是我们所希望达到结果。”

  研究人员发现,该传感器的另一项优势是,即使被反复压缩后,纳米网状传感器仍能继续正常工作。事实上,以19.6 kPa挤压1000次后,该器件的电容仅改变了0.15%。而在这些实验中,金电极的电导率也保持相对稳定。

  另一项有利于该传感器的性质就是其摩擦阻力:实验表明,该传感器可以与50 g的物体摩擦300次而不断裂(相当于施加超过100 kpa的压力)。在这些测试中,该传感器的电气特性仅发生了轻微的变化,即使在多次摩擦后,该器件仍对施加压力非常敏感。

  研究人员将其研究成果发表于《科学》(Science),并展望下一步将增加其器件中的传感点数量,以及确定压力在整个器件中的空间分布情况。“我们还希望进一步开发其他领域的微型传感器,如温度、应变以及湿度传感器,最终实现多模态传感。”Lee向Physics World透露。

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