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新加坡国立大学丁军教授团队《Chem. Eng.J.》:3D打印实现高选择性、高灵敏度可穿戴集成传感器的制备
2020-02-26  来源:高分子科技

  多功能传感系统已经引起科研人员越来越多的关注。以可穿戴人体传感器为例,同时具备拉伸、弯曲及挤压信号感应灵敏度的传感器必定是现代传感系统的发展趋势之一。然而,传统二维传感器件受构型及相应的工作原理的局限,很难实现对不同刺激信号快速有效的分拣任务。因此,设计开发出兼具高选择性与高灵敏度的可穿戴集成传感器,以实现对刺激信号精准的定性、定量分析,十分重要。

  日前,新加坡国立大学丁军教授课题组在高选择性、高灵敏度可穿戴传感器的灵活制备方面取得最新进展。课题组成员使用氯化钠掺杂的琼脂糖凝胶(NaCl@AG)作为离子导电材料,通过3D打印制备可定制化弹性体塑性器 (3D Printed Elastic Hollow Part)对离子导电材料实现空间立体塑性;结合3D 打印的微米级多孔铜电极(3dp-Cu),开发出一种具有3D构型的集成传感器(Integrated Sensor)。该传感器可同时检测、分类外力的种类及大小,在多功能可穿戴传感系统(Wearable Sensing System)方面具有广泛应用前景。同时,琼脂糖凝胶独特的溶胶-凝胶转变性质(热可逆),使该传感器制备简单,并可快速实现弹性体塑性器的重复使用(热水浸泡,洗去离子导电材料即可)。该研究成果近期在线发表在《化学工程期刊》(Chemical Engineering Journal)上 。

 

图一 多功能3D集成可穿戴传感器的制备示意图 

  通过一系列实验,研究人员分析发现:3D弹性体塑性器的微型孔道结构对传感器性能表现有着直接影响。例如,直通道和弹簧通道传感器分别表现出优异的拉伸(弯曲可忽略)、弯曲(拉伸可忽略)检测灵敏度;而介于二者之间的二维“ S”型通道传感器,则同时具备对拉伸信号与弯曲信号的感应能力(但灵敏度较低)。下一步,研究人员采用3D 打印技术将直通道和弹簧双通道灵活地集成在同一个弹性体塑性器中,从而制备出一种多功能3D集成可穿戴传感器 (3D-IWS)。通过采集分析双通道信号,该传感器可实现实时、精准检测区分拉伸信号与弯曲信号的功能;并具备较高响应灵敏度与大范围应变工作区间(0~500 %)。

图二 多功能3D集成可穿戴传感器的性能表征

图三 多功能3D集成可穿戴传感器的应用实例

  接下来,研究人员通过实例展示3D集成可穿戴传感器在实时检测人体活动方面的应用:手肘弯曲过程内外侧拉伸/弯曲情况(b1)。研究发现,当传感器被固定在手肘内侧时,直通道测试结果几乎为零(手肘弯曲过程中内侧几乎无拉伸);弹簧通道测试结果明显(可精确检测手肘内侧弯曲程度)(b2)。当传感器被固定在手肘外侧时,弹簧通道测试结果明显(可精确检测手肘外侧弯曲程度);同时,直通道也呈现明显的测试结果(手肘弯曲过程中外侧存在不同程度的拉伸)(b3)。上述简单实例证实该类3D集成可穿戴传感器较传统二维传感器明显的优异的信号区分选择功能。

  该工作通过使用安全经济的高分子材料,结合新颖的3D打印塑形技术,便捷灵活地实现高性能、高灵敏度的多功能传感器件的可定制生产。详尽工作机理见论文原文。论文第一作者为课题组博士生苏欣然Ramadan Borayek,通讯作者丁军教授

  论文链接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.124503

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(责任编辑:xu)
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