新加坡國(guó)立大學(xué)發(fā)明高靈敏度、低磁滯柔性電子皮膚傳感器貼片

通過(guò)使用一種在金屬涂層的彈性體微結(jié)構(gòu)上生成獨(dú)特的三維納米尺度裂紋形態(tài)的方法，展示了一種由軟材料制成的近磁滯無(wú)壓阻傳感器系統(tǒng)。當(dāng)施加較大的壓縮壓力時(shí)，該方法解決了許多使用軟材料的電子傳感器蒙皮所面臨的固有機(jī)電滯后的主要挑戰(zhàn)。

由柔性復(fù)合材料制成的壓阻傳感器可跟蹤變形，并具有小于3%的滯后性，可以可靠地用作醫(yī)療可穿戴設(shè)備，用于測(cè)量小塊皮膚上的脈搏波速度。還證明了低滯后特性可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人應(yīng)用在紡織品表面上的表面紋理的準(zhǔn)確可靠的單點(diǎn)觸摸分類。

電子皮膚對(duì)于實(shí)時(shí)健康監(jiān)控和機(jī)器人的觸覺(jué)感知至關(guān)重要。盡管使用軟質(zhì)彈性體和微結(jié)構(gòu)改善了觸覺(jué)傳感器的靈敏度和壓力感應(yīng)范圍，但軟質(zhì)聚合材料的固有粘彈性仍然是導(dǎo)致循環(huán)滯后的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)。這會(huì)導(dǎo)致接觸事件之間的傳感器數(shù)據(jù)變化，從而對(duì)準(zhǔn)確性和可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。

在接觸力學(xué)理論的指導(dǎo)下，新加坡國(guó)立大學(xué)(NUS)健康創(chuàng)新與技術(shù)研究所助理教授本杰明·泰(Benjamin Tee)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組提出了一種新的傳感器材料，該材料的磁滯明顯更少。此功能可實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的可穿戴健康技術(shù)和機(jī)器人感應(yīng)。于2020年9月28日在享有盛名的《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences )上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。

可以將撓性TRACE傳感器貼片放置在皮膚上，以測(cè)量淺動(dòng)脈的血流量。

高靈敏度，低滯后壓力傳感器

當(dāng)軟材料用作壓縮傳感器時(shí)，它們通常會(huì)面臨嚴(yán)重的磁滯問(wèn)題。在重復(fù)觸摸之間，軟傳感器的材料屬性可能會(huì)發(fā)生變化，這會(huì)影響數(shù)據(jù)的可靠性。這使得每次獲取準(zhǔn)確的讀數(shù)都具有挑戰(zhàn)性，限制了傳感器的可能應(yīng)用。

NUS團(tuán)隊(duì)的突破是發(fā)明了一種具有高靈敏度但幾乎沒(méi)有滯后性能的材料。他們開(kāi)發(fā)了一種在稱為聚二甲基硅氧烷(PDMS)的柔性材料上將金屬薄膜裂解成所需環(huán)形圖案的工藝。

TRACE傳感器貼片可用于機(jī)械手的手指上以進(jìn)行紋理識(shí)別。

該團(tuán)隊(duì)將這種金屬/ PDMS膜與用于壓阻傳感器的電極和基板集成在一起，并對(duì)其性能進(jìn)行了表征。他們進(jìn)行了反復(fù)的機(jī)械測(cè)試，并驗(yàn)證了他們的設(shè)計(jì)創(chuàng)新提高了傳感器性能。他們的發(fā)明稱為抗觸覺(jué)環(huán)狀裂紋電子皮膚(TRACE)，是傳統(tǒng)軟材料的五倍。

"憑借我們獨(dú)特的設(shè)計(jì)，我們能夠顯著提高準(zhǔn)確性和可靠性。TRACE傳感器可潛在地用于機(jī)器人技術(shù)中以感知表面紋理或可穿戴式健康技術(shù)設(shè)備，例如用于測(cè)量淺表動(dòng)脈的血流以進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)"，同時(shí)也是國(guó)大材料科學(xué)與工程系的Tee助理教授說(shuō)。

下一步

NUS團(tuán)隊(duì)的下一步是進(jìn)一步提高其材料在不同可穿戴應(yīng)用中的適應(yīng)性，并基于傳感器開(kāi)發(fā)人工智能(AI)應(yīng)用。

"我們的長(zhǎng)期目標(biāo)是通過(guò)放置在人體皮膚上的微小智能貼片的形式來(lái)預(yù)測(cè)心血管健康。這種TRACE傳感器向著這一現(xiàn)實(shí)邁進(jìn)了一步，因?yàn)樗梢圆东@的脈搏速度數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，并且還可以配備機(jī)器學(xué)習(xí)算法，以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)表面紋理。"

NUS團(tuán)隊(duì)旨在開(kāi)發(fā)的其他應(yīng)用包括在假肢中的使用，在假肢中，可靠的皮膚界面可實(shí)現(xiàn)更智能的反應(yīng)。