發(fā)布日期：2017-09-07
兩片面包+肉片或蔬菜，這是我們常見的三明治組成形式。那么，高新納米柔性傳感技術(shù)制成的“三明治”，你見過(guò)么？
日前，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所陳韋研究員團(tuán)隊(duì)就以納米復(fù)合材料為電極，離子聚合物為中間層，制成了一個(gè)“三明治”結(jié)構(gòu)柔性力學(xué)傳感器。
讓我們來(lái)看看這個(gè)“三明治”柔性力學(xué)傳感器是怎么工作的。
這個(gè)“三明治”柔性力學(xué)傳感器采用打孔石墨烯（H-RGO）和單壁碳納米管（CNTs）自組裝形成的三維交聯(lián)復(fù)合結(jié)構(gòu)“面包層”。這個(gè)“面包層”既利于形成有效的離子遷移通道，又具有力學(xué)、電學(xué)性能穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而保證了優(yōu)異的大應(yīng)變力學(xué)傳感穩(wěn)定性。同時(shí)，高離子負(fù)載量的柔性“中間層”保證了高離子電導(dǎo)率以及器件的力學(xué)柔韌性。
傳感器基于離子壓電新機(jī)制感知外界壓力，在材料發(fā)生形變時(shí)，兩片“面包層”呈現(xiàn)收縮和伸張的狀態(tài)，陰陽(yáng)離子向材料伸張面的遷移速度不同導(dǎo)致各向異性傳輸累積，在兩交聯(lián)電極“面包層”形成電勢(shì)差，產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)輸出。因而傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同形變方向識(shí)別以及無(wú)源傳感等新功能和新特性，最終實(shí)現(xiàn)柔性力學(xué)傳感器的復(fù)雜大形變穩(wěn)定性、無(wú)源自驅(qū)動(dòng)以及方位識(shí)別等優(yōu)異性能。
簡(jiǎn)而言之，這個(gè)傳感器可以在無(wú)源條件下，精確穩(wěn)定地監(jiān)測(cè)大尺度多方位空間位移形變。它能解決現(xiàn)有大部分柔性傳感器存在的需電源驅(qū)動(dòng)、無(wú)方向識(shí)別性以及復(fù)雜大形變不穩(wěn)定等難點(diǎn)。
傳感器作為智能穿戴系統(tǒng)的核心，其相關(guān)技術(shù)的關(guān)鍵性突破使得智能穿戴系統(tǒng)在健康監(jiān)測(cè)以及人機(jī)交互等的實(shí)際應(yīng)用得到進(jìn)一步保障與拓展，一定程度上解決了智能穿戴便攜式產(chǎn)品發(fā)展過(guò)程中的瓶頸問(wèn)題。這個(gè)傳感器大大改善了智能穿戴系統(tǒng)的集成度、便攜性。
這個(gè)“三明治”柔性力學(xué)傳感器有什么用？它如何應(yīng)用在穿戴系統(tǒng)中呢？這個(gè)傳感器所集成的傳感陣列，可以有效識(shí)別手指彎曲、手腕向上彎曲/向下彎曲/向內(nèi)旋轉(zhuǎn)/向外旋轉(zhuǎn)等多維度手部動(dòng)作。因此，該團(tuán)隊(duì)成功將其應(yīng)用于靈巧手語(yǔ)識(shí)別和編譯過(guò)程，所發(fā)展的智能手套可以感知手語(yǔ)動(dòng)作的變化，對(duì)不同構(gòu)型甚至是細(xì)微變化、動(dòng)作相近的手語(yǔ)做出精確的響應(yīng)與識(shí)別。并且在連續(xù)6000次實(shí)測(cè)中，傳感信號(hào)無(wú)明顯衰減，性能穩(wěn)定。
科研人員還在繼續(xù)努力，希望未來(lái)可通過(guò)結(jié)合相關(guān)的數(shù)據(jù)和指令庫(kù)將手語(yǔ)直接翻譯為文本或者語(yǔ)音，為廣大聾啞人帶來(lái)福音。該成果對(duì)發(fā)展穿戴式多尺度人體活動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)與產(chǎn)品開發(fā)具有重要的科研意義和應(yīng)用價(jià)值。
相關(guān)研究成果已發(fā)表在近期ACS Nano雜志上（http://dx.doi.org/10.1021/acsnano.7b02767）。
該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中科院對(duì)外合作重點(diǎn)項(xiàng)目、江蘇省科技計(jì)劃項(xiàng)目(產(chǎn)業(yè)前瞻與共性關(guān)鍵技術(shù))等的資助。
圖1.（a)離子形變傳感器的制備過(guò)程；(b)器件組成結(jié)構(gòu)；(c)H-RGO/CNTs界面電極結(jié)構(gòu)
圖2.(a)傳感器的離子傳感機(jī)理；(b）器件對(duì)不同應(yīng)變的響應(yīng)；(c）對(duì)方向的識(shí)別；(d）循環(huán)穩(wěn)定性
圖3.(a）傳感器的多維分辨能力；(b）智能手套和手語(yǔ)監(jiān)測(cè)識(shí)別
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所
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