深圳先進(jìn)院開發(fā)出高性能微流體柔性應(yīng)變傳感器

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)工所微創(chuàng)中心研究員王磊、副研究員李暉團(tuán)隊(duì)，在利用波浪形微通道設(shè)計(jì)改善基于液態(tài)金屬的柔性應(yīng)變傳感器遲滯性、響應(yīng)時(shí)間和靈敏度方面的研究取得新進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Superelastic, Sensitive, and Low Hysteresis Flexible Strain Sensor Based on Wave-Patterned Liquid Metal for Human Activity Monitoring”為題，發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

柔性應(yīng)變傳感器已成為未來(lái)智能設(shè)備發(fā)展的重要研究方向，在人機(jī)交互、電子皮膚和運(yùn)動(dòng)監(jiān)控等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，柔性應(yīng)變傳感器已廣泛用于可穿戴電子設(shè)備中以獲取人體物理參數(shù)，但無(wú)論傳感材料的可拉伸性如何，小應(yīng)變變化的分辨率不足或加載/卸載狀態(tài)之間的滯后現(xiàn)象，限制了這些傳感器的各種應(yīng)用。基于此，深圳先進(jìn)院微創(chuàng)中心醫(yī)學(xué)微系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)通過(guò)將液態(tài)金屬共晶鎵銦(EGaIn)嵌入到波浪形微通道柔性基底中，開發(fā)出一種微流體柔性應(yīng)變傳感器，其新型波浪形設(shè)計(jì)抑制了微通道的粘彈性，提高了變形恢復(fù)能力，改善了遲滯性和響應(yīng)速度。

該柔性應(yīng)變傳感器可承受高達(dá)320%的應(yīng)變且能夠正常工作，波浪形結(jié)構(gòu)能夠有效抑制微通道的粘彈性，遲滯性從6.79%提高到1.02%。此外，通過(guò)延長(zhǎng)波浪形微通道長(zhǎng)度，同時(shí)傳感器的靈敏度(GF = 4.91)和分辨率得到提高，能夠檢測(cè)到低至0.09%的極微小應(yīng)變變化，響應(yīng)時(shí)間低至116ms。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該柔性應(yīng)變傳感器能夠被用于人體和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)，如手指、頸部、呼吸胸腔和機(jī)器人關(guān)節(jié)的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等，在可穿戴電子、運(yùn)動(dòng)識(shí)別、醫(yī)療健康和軟體機(jī)器人方面具有應(yīng)用前景。

直線型微通道傳感器和波浪形微通道傳感器的響應(yīng)曲線對(duì)比。(a，c)直線型應(yīng)變傳感器和(b，d)波浪形應(yīng)變傳感器的相對(duì)電阻分別在縱向和橫向負(fù)載下的變化;(e)直線型應(yīng)變傳感器和波浪形應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu);(f)直線型應(yīng)變傳感器和波浪形應(yīng)變傳感器在連續(xù)分布加載實(shí)驗(yàn)中的響應(yīng)曲線變化。

(a)增強(qiáng)的波浪形微流體應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)。(b)增強(qiáng)的波浪形微流體應(yīng)變傳感器表現(xiàn)出良好的適形性，柔韌性和可彎曲性。

增強(qiáng)的波浪形應(yīng)變傳感器作為可穿戴設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。(a)人體手指彎曲/舒展時(shí)的信號(hào)響應(yīng);(b)貼敷有傳感器的手指在抓取不同尺寸物體時(shí)的信號(hào)相對(duì)變化(1)燒杯(2)塑料杯(3)圓珠筆;(c)增強(qiáng)的波浪形傳感器在人體頸部彎曲和(d)胸腔呼吸等動(dòng)態(tài)循環(huán)加載下的輸出信號(hào)變化。(e)集成在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)上的柔性傳感器隨機(jī)器人不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的響應(yīng)曲線。