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    柔性電子大牛Takao Someya最新《Science》:觸若無感的高精度力學傳感器

    • 來源:高分子科學前沿
    • 閱讀量:1966
    • 時間:2020-11-30 13:14:00

      對人體自身動作的研究,對于假肢研究、人機交互等領域有重大意義。但在人體的動作研究過程中,力學傳感器則是研究的關鍵?,F階段的力學傳感器,在測量手的抓握行為時,會使得手指觸覺上的偏差,因此導致手指抓握力測量上產生較大的偏差。,需要將傳感器放在指尖,這些傳感器會干擾手指、影響手指施加的力,導致無法精確再現自然觸覺。

      目前,在不損失任何觸摸感覺的情況下監測手指觸摸過程是最大的挑戰。傳統的傳感器,乃至超薄傳感器都會不同程度的降低觸覺,使得測量結果產生偏差,不能真實的反應手指的觸覺。柔性電子大牛,日本東京大學TakaoSomeya團隊基于電紡納米纖維,開發出了超級靈敏的電容式納米網絡壓力傳感器,可以準確的監測手指壓力,并且不會對人產生感官影響。相關論文以“Nanomeshpressure sensor for monitoring finger manipulation without sensory interference”為題,于11月20日發表在《Science》上。

    納米網絡壓力傳感器的結構

      為了保證傳感器不會影響手指上的觸覺,因此傳感器輕薄柔軟的特性是成敗的關鍵。Takao Someya團隊采用了納米級別的靜電紡絲技術,采用了聚氨酯等柔性材料,保證了制作出的傳感器的輕薄特性和柔軟程度。聚對二甲苯涂層可以提高柔性力學傳感器的靈敏度(壓力低于1kPa時靈敏度為0.141kPa-1,高于10kPa時靈敏度為0.01kPa-1),而金納米網絡則保證了電信號的傳輸。該力學傳感器為典型的電容器結構,整體結構分為四層,分別為嵌入納米網絡的聚氨酯鈍化層、頂部金納米網絡電極層、涂有聚對二甲苯涂層的聚氨酯納米網絡中間層,底部金納米網絡電極層。該傳感器主要通過形狀的改變使得傳感器整體電容的變化,以此反應力的大小。

    優良的結構穩定性

      在傳感器的制備過程中,納米金網的形成利用了PVA納米纖維作為犧牲材料,因此納米金網與中間層有優良的結合力。以19.6 kPa的壓力進行1000次循環測試后,其電容性能下降不到0.15%(電容變化在第一個周期為0.658,在第1000個周期為0.659)。除此之外,頂部Au納米網絡電極在重復循環施壓過程中,導電性幾乎沒有變化。這些性能參數足以證明該傳感器優良的結構穩定性,保證了在應用過程中的可重復性和性能穩定性。

      對手指觸覺無影響

       本文定量研究了傳感器對人的觸覺的影響,通對比在手指上貼上傳感器與裸露的手指的抓握力,貼上傳感器與裸露手指相差無幾。而在貼了2微米厚的力學傳感器后,手指的抓握力還增加了14%。

     

    總結

      Takao Someya團隊通過納米靜電紡絲技術,制作出了一種超薄輕柔的力學傳感器。通過一系列研究,驗證了其對手指觸覺的影響微乎其微,這一性能使得該傳感器在人體動作研究中有十分廣闊的應用前景,對人體仿生學領域具有十分重大的意義。

     

      全文鏈接:

      https://science.sciencemag.org/content/370/6519/966https://science.sciencemag.org/content/370/6519/910

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