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皮肤上耐用的纳米网格传感器 可监测自然皮肤的运动

作者: 武汉新闻网 更新时间: 2020年08月22日 19:00:07 游览量: 80

简述:

舒适的应变计可直接放置在人体皮肤上,以监测连续的运动活动,在机器人技术,人体运动检测和个人保健中得到广

舒适的应变计可直接放置在人体皮肤上,以监测连续的运动活动,在机器人技术,人体运动检测和个人保健中得到广泛应用。然而,开发一种皮肤应变计以监测人体的长期运动而不干扰皮肤的自然运动是具有挑战性的。在现今有关科学进步的新报告中,王岩和东京大学以及日本紧急物质科学中心的一组电气工程科学家介绍了一种超薄且耐用的纳米网状应变仪。该设备允许连续运动,以最小化自然皮肤运动的机械约束。他们使用增强型聚氨酯-聚二甲基硅氧烷设计了该设备(PU-PDMS)纳米网具有出色的可持续性和耐用性。该设备的几何形状和柔软度为自然皮肤变形提供了最小的机械干扰。例如,在语音测试中,贴有纳米网格的脸部显示出的皮肤应变映射类似于没有纳米网格的自然皮肤。Wang等。演示了长期的面部贴图,可以使用表面绑定的纳米网格传感器检测实时稳定的身体运动。

皮肤上耐用的纳米网格传感器 可监测自然皮肤的运动

工程纳米网格

用于皮肤应用的可穿戴电子设备被设计为薄,柔软和耐用,可与人体皮肤整合,以连续长期应用。应变计由于其在用于健康诊断的人机界面中的应用而引起了人们对生物工程的极大兴趣。软,高精度应变计可用于连续测量生物器官功能。但是,它们具有更简单的机制,可以在机械变形后产生重复的电气变化,用于与生物系统接口的应用。这些设备只需要很高的机械柔韧性,灵活性,灵敏性和生物相容性以获得最佳功能。在这项工作中,王等人。开发了一种超薄且耐用的纳米网状应变仪,可检测人体运动,同时最大程度地减少对天然皮肤的机械约束。他们使用PU-PDMS(聚氨酯-聚二甲基硅氧烷)对纳米网进行了工程改造,其超轻重量为0.12 mg / cm 2,具有非凡的机械耐久性,可用于高循环拉伸和脱模应用。该团队使用该设置可以成功地绘制出长达3.5小时的语音中面部皮肤应变图,并且长期佩戴后机械干扰最小。

语音面部应变映射的电阻测量设计。(a)接触垫位于PU–PDMS纳米网格传感器的两端,它们是在纳米网格传感器制造后通过有效浸涂而制成的。(b)放大的人脸纳米网格传感器照片,红色矩形表示接触垫。(c)接触垫(AgNW纳米网)的SEM图像显示出明显且丰富的AgNWs附着。(d)AgNW纳米网的显微图像。(e)纳米网格传感器和接触垫的电响应。Nanomesh传感器的线性电阻变化在0-30%应变范围内,应变范围足以检测语音中的面部应变(25%应变)。纳米网传感器的规格系数经计算为?6.13。接触垫表现出高达40%应变的应变不敏感拉伸性,也比纳米网状传感器更具导电性。

Wang等。通过改变PDMS的浓度,有效设计了多种纳米网眼结构,从而获得了具有不同灵敏度和可拉伸性的纳米网眼应变计。但是,所有装置相对于其多孔结构都保持相似的孔径分布。科学家将应变系数(GF)或应变灵敏度定义为电阻的分数变化与长度的分数变化之比。不同的网格结构显示出不同的拉伸性和应变系数。在单轴拉伸过程中,每个设备的电阻均以不同的速率增加。通过稀释PDMS溶液,他们有效地对具有不同拉伸性和敏感性的纳米网应变计进行了编程。在较高的应变下 超出公差范围,PU-PDMS网格断开,导致纳米网格破裂,而纳米网格结构可通过释放应变而保留。

PU-PDMS纳米网状传感器的机电可持续性,可靠性和耐用性

为了了解设备的可持续性,研究团队在设备上施加了40%的压力12小时。然后,他们进行了循环测试以研究构造物的机械耐久性,并注意到了轻微的滞后现象。由于PDMS的机械特性,在最初的几百个循环中电阻会降低。由于其惰性的金表面,PU-PDMS纳米网的薄层电阻在环境条件下存储100天时稳定,表明其较长的保存期限,非常适合实际应用。科学家使用由多种纳米纤维支架(包括聚乙烯醇(PVA),单独的聚氨酯(PU)和聚对二甲苯涂层的PU)设计的结构对纳米网传感器进行了耐久性测试。与效果不那么有效的其他三个纳米网格相比,PU-PDMS纳米网格在100个循环中显示出均匀的循环应变。

将纳米网设备附着到人体皮肤后,小组将水雾喷在表面上以保持稳定的附着力。在实验过程中,佩戴纳米网传感器的受试者几乎无法感知到这种接触。Wang等。在脸部右侧安装纳米网格传感器,并在左侧放置黑色矩形标记作为参考。当测试对象清楚地表示字母“ a”,“ o”和“ u”时,黑色标记记录的最高应变在17.5%至25%之间,而纳米网传感器记录的最高应变在18.3%至23.6%之间。因此,应变映射结果显示了脸部左右两侧对称的皮肤应变分布,突出了语音过程中皮肤上纳米级设备的最小机械约束。适形的纳米网眼可以佩戴3.5小时而不会感到不适。

文章链接://jksh/124346.html

文章标题:皮肤上耐用的纳米网格传感器 可监测自然皮肤的运动