(洛杉磯)——人類(lèi)的許多身體機(jī)能都通過(guò)皮膚的機(jī)械變形表現(xiàn)出來(lái)——從肌肉和關(guān)節(jié)的拉伸、彎曲和運(yùn)動(dòng)到手腕脈搏的顫動(dòng)。這些機(jī)械變化可以通過(guò)測(cè)量全身不同部位的不同應(yīng)變水平來(lái)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)。
近年來(lái)，很多注意力都集中在可穿戴傳感器上，以測(cè)量這些應(yīng)變以用于個(gè)人健康監(jiān)測(cè)。其中一些傳感器可以檢測(cè)高級(jí) (40-100%) 應(yīng)變，例如與手指和四肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的應(yīng)變，其他傳感器可以檢測(cè)中級(jí) (10-40%) 應(yīng)變，如吞咽和面部運(yùn)動(dòng)還有一些對(duì)手腕脈搏和聲帶振動(dòng)中觀察到的低水平 (<1%-10%) 應(yīng)變敏感。
由于其最高水平的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，這些類(lèi)型的傳感器非常受歡迎的材料是 PEDOT:PSS 或聚(3,4-亞乙基二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸鹽。以前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出非常靈敏的 PEDOT:PSS 應(yīng)變傳感器，可以檢測(cè)來(lái)自非常微小的運(yùn)動(dòng) (<1%) 的應(yīng)變，但 PEDOT:PSS 薄膜固有的拉伸性較差，因此在用于測(cè)量較大應(yīng)變時(shí)會(huì)導(dǎo)致性能和功能水平下降(>20%)。通過(guò)添加有彈性的聚合物或彈性體來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題的嘗試導(dǎo)致了增加的彈性，但降低了檢測(cè)小應(yīng)變的靈敏度。
寺崎生物醫(yī)學(xué)創(chuàng)新研究所的一個(gè)協(xié)作團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)計(jì)一種可有效檢測(cè)各種應(yīng)變的可穿戴應(yīng)變傳感設(shè)備來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。為了最大限度地發(fā)揮這種傳感器的彈性，TIBI 研究人員從自然界中發(fā)現(xiàn)的一個(gè)例子中汲取靈感。眾所周知，蛇在吞食獵物時(shí)能夠伸展到正常體型的數(shù)倍。在仔細(xì)檢查蛇皮后，研究人員觀察到蛇皮上覆蓋著重疊的鱗片。當(dāng)施加壓力時(shí)，這些鱗片會(huì)相互滑過(guò)，并被置換成分離的鱗片，皮膚散布在它們之間。這賦予皮膚非凡的彈性。
研究人員在制造傳感器時(shí)使用了這種設(shè)計(jì)理念。涂上一層薄薄的 PEDOT:PSS 并烘烤到彈性體膠帶上。然后將該層拉伸至實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的 50% 應(yīng)變水平。該過(guò)程導(dǎo)致裂縫和微尺度碎片的形成，或在層表面形成“孤島”，其中散布著 PEDOT:PSS 區(qū)域。這些暴露的區(qū)域用作粘合點(diǎn)，用于應(yīng)用第二層 PEDOT:PSS 薄層。一旦應(yīng)用，第二層被進(jìn)一步拉伸到 100% 的應(yīng)變水平，從而產(chǎn)生額外的島嶼和區(qū)域，與第一層的島嶼和區(qū)域自然對(duì)齊。當(dāng)從拉伸中釋放出來(lái)時(shí)，會(huì)形成一個(gè)帶有重疊島嶼的結(jié)構(gòu)，模仿蛇的鱗片結(jié)構(gòu)。
“這種傳感器開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵在于其新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，”首席研究員張世明博士說(shuō)。“這使我們的設(shè)備能夠以高靈敏度測(cè)量各種應(yīng)變水平。”
PEDOT:PSS 雙層被固定在一層水凝膠上;選擇柔軟的凝膠狀水凝膠作為底層，因?yàn)樗梢再N在受試者的皮膚上，并提供生物相容性和可穿戴舒適性。將銅線(xiàn)和彈性體密封件添加到傳感器中，并進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)以測(cè)試其檢測(cè)各種應(yīng)變的能力。
在低范圍應(yīng)變測(cè)試中，手腕脈搏的測(cè)量是在休息時(shí)和運(yùn)動(dòng)后進(jìn)行的。在發(fā)聲和發(fā)聲期間，還測(cè)量了頸部皮膚和組織的運(yùn)動(dòng)。為了檢測(cè)中度應(yīng)變，在吞咽過(guò)程中測(cè)量眉毛運(yùn)動(dòng)和喉部的上下運(yùn)動(dòng)。在高水平應(yīng)變測(cè)試中，測(cè)量了不同程度的肘部彎曲。
標(biāo)簽： 可穿戴傳感器
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