具有廣泛應(yīng)變靈敏度的可穿戴傳感器

(洛杉磯)——人類的許多身體機(jī)能都通過皮膚的機(jī)械變形表現(xiàn)出來——從肌肉和關(guān)節(jié)的拉伸、彎曲和運(yùn)動到手腕脈搏的顫動。這些機(jī)械變化可以通過測量全身不同部位的不同應(yīng)變水平來檢測和監(jiān)測。

近年來，很多注意力都集中在可穿戴傳感器上，以測量這些應(yīng)變以用于個(gè)人健康監(jiān)測。其中一些傳感器可以檢測高級 (40-100%) 應(yīng)變，例如與手指和四肢關(guān)節(jié)運(yùn)動相關(guān)的應(yīng)變，其他傳感器可以檢測中級 (10-40%) 應(yīng)變，如吞咽和面部運(yùn)動還有一些對手腕脈搏和聲帶振動中觀察到的低水平 (<1%-10%) 應(yīng)變敏感。

由于其最高水平的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，這些類型的傳感器非常受歡迎的材料是 PEDOT:PSS 或聚(3,4-亞乙基二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸鹽。以前，已經(jīng)開發(fā)出非常靈敏的 PEDOT:PSS 應(yīng)變傳感器，可以檢測來自非常微小的運(yùn)動 (<1%) 的應(yīng)變，但 PEDOT:PSS 薄膜固有的拉伸性較差，因此在用于測量較大應(yīng)變時(shí)會導(dǎo)致性能和功能水平下降(>20%)。通過添加有彈性的聚合物或彈性體來解決這個(gè)問題的嘗試導(dǎo)致了增加的彈性，但降低了檢測小應(yīng)變的靈敏度。

寺崎生物醫(yī)學(xué)創(chuàng)新研究所的一個(gè)協(xié)作團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)一種可有效檢測各種應(yīng)變的可穿戴應(yīng)變傳感設(shè)備來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。為了最大限度地發(fā)揮這種傳感器的彈性，TIBI 研究人員從自然界中發(fā)現(xiàn)的一個(gè)例子中汲取靈感。眾所周知，蛇在吞食獵物時(shí)能夠伸展到正常體型的數(shù)倍。在仔細(xì)檢查蛇皮后，研究人員觀察到蛇皮上覆蓋著重疊的鱗片。當(dāng)施加壓力時(shí)，這些鱗片會相互滑過，并被置換成分離的鱗片，皮膚散布在它們之間。這賦予皮膚非凡的彈性。

研究人員在制造傳感器時(shí)使用了這種設(shè)計(jì)理念。涂上一層薄薄的 PEDOT:PSS 并烘烤到彈性體膠帶上。然后將該層拉伸至實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的 50% 應(yīng)變水平。該過程導(dǎo)致裂縫和微尺度碎片的形成，或在層表面形成“孤島”，其中散布著 PEDOT:PSS 區(qū)域。這些暴露的區(qū)域用作粘合點(diǎn)，用于應(yīng)用第二層 PEDOT:PSS 薄層。一旦應(yīng)用，第二層被進(jìn)一步拉伸到 100% 的應(yīng)變水平，從而產(chǎn)生額外的島嶼和區(qū)域，與第一層的島嶼和區(qū)域自然對齊。當(dāng)從拉伸中釋放出來時(shí)，會形成一個(gè)帶有重疊島嶼的結(jié)構(gòu)，模仿蛇的鱗片結(jié)構(gòu)。

“這種傳感器開發(fā)的關(guān)鍵在于其新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，”首席研究員張世明博士說。“這使我們的設(shè)備能夠以高靈敏度測量各種應(yīng)變水平。”

PEDOT:PSS 雙層被固定在一層水凝膠上;選擇柔軟的凝膠狀水凝膠作為底層，因?yàn)樗梢再N在受試者的皮膚上，并提供生物相容性和可穿戴舒適性。將銅線和彈性體密封件添加到傳感器中，并進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)以測試其檢測各種應(yīng)變的能力。

在低范圍應(yīng)變測試中，手腕脈搏的測量是在休息時(shí)和運(yùn)動后進(jìn)行的。在發(fā)聲和發(fā)聲期間，還測量了頸部皮膚和組織的運(yùn)動。為了檢測中度應(yīng)變，在吞咽過程中測量眉毛運(yùn)動和喉部的上下運(yùn)動。在高水平應(yīng)變測試中，測量了不同程度的肘部彎曲。

標(biāo)簽： 可穿戴傳感器