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”，你見過么？

日前，中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所陳韋研究員團隊就以納米復(fù)合材料為電極，離子聚合物為中間層，制成了一個“三明治”結(jié)構(gòu)柔性力學傳感器。

讓我們來看看這個“三明治”柔性力學傳感器是怎么工作的。

這個“三明治”柔性力學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“面包層”既利于形成有效的離子遷移通道，又具有力學、電學性能穩(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)變力學傳感穩(wěn)定性。同時，高離子負載量的柔性“中間層”保證了高離子電導(dǎo)率以及器件的力學柔韌性。

傳感器基于離子壓電新機制感知外界壓力，在材料發(fā)生形變時，兩片“面包層”呈現(xiàn)收縮和伸張的狀態(tài)，陰陽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”形成電勢差，產(chǎn)生感應(yīng)信號輸出。因而傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對不同形變方向識別以及無源傳感等新功能和新特性，最終實現(xiàn)柔性力學傳感器的復(fù)雜大形變穩(wěn)定性、無源自驅(qū)動以及方位識別等優(yōu)異性能。

簡而言之，這個傳感器可以在無源條件下，精確穩(wěn)定地監(jiān)測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、無方向識別性以及復(fù)雜大形變不穩(wěn)定等難點。

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)測以及人機交互等的實際應(yīng)用得到進一步保障與拓展，一定程度上解決了智能穿戴便攜式產(chǎn)品發(fā)展過程中的瓶頸問題。這個傳感器大大改善了智能穿戴系統(tǒng)的集成度、便攜性。

這個“三明治”柔性力學傳感器有什么用？它如何應(yīng)用在穿戴系統(tǒng)中呢？這個傳感器所集成的傳感陣列，可以有效識別手指彎曲、手腕向上彎曲/向下彎曲/向內(nèi)旋轉(zhuǎn)/向外旋轉(zhuǎn)等多維度手部動作。因此，該團隊成功將其應(yīng)用于靈巧手語識別和編譯過程，所發(fā)展的智能手套可以感知手語動作的變化，對不同構(gòu)型甚至是細微變化、動作相近的手語做出精確的響應(yīng)與識別。并且在連續(xù)6000次實測中，傳感信號無明顯衰減，性能穩(wěn)定。

科研人員還在繼續(xù)努力，希望未來可通過結(jié)合相關(guān)的數(shù)據(jù)和指令庫將手語直接翻譯為文本或者語音，為廣大聾啞人帶來福音。該成果對發(fā)展穿戴式多尺度人體活動監(jiān)測技術(shù)與產(chǎn)品開發(fā)具有重要的科研意義和應(yīng)用價值。

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）。

該工作得到國家自然科學基金面上項目、中科院對外合作重點項目、江蘇省科技計劃項目(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理；(b）器件對不同應(yīng)變的響應(yīng)；(c）對方向的識別；(d）循環(huán)穩(wěn)定性

圖3.(a）傳感器的多維分辨能力；(b）智能手套和手語監(jiān)測識別

來源：中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所

來源：中科院之聲（微信號 zkyzswx）