同時實現(xiàn)超柔軟、超高靈敏度和機(jī)械彈性是可穿戴電子產(chǎn)品和軟機(jī)器的主要挑戰(zhàn)。柔軟且可穿戴的傳感器與柔軟的人體皮膚的機(jī)械性能非常匹配，在很大程度上滿足了遠(yuǎn)程實現(xiàn)對不同身體動作的高保真實時檢測和評估的需求。然而，受傳統(tǒng)軟材料固有粘彈性的限制，目前基于軟材料的可穿戴傳感器主要用于監(jiān)測低頻和較大的身體運(yùn)動。用軟材料檢測微妙和快速的神經(jīng)肌肉功能對于設(shè)計高度復(fù)雜的可穿戴電子產(chǎn)品至關(guān)重要，但仍然是一個挑戰(zhàn)。
在最近發(fā)表在《國家科學(xué)評論》上的一篇論文中，一個國際多學(xué)科團(tuán)隊提出了一種新設(shè)計來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。通過利用他們之前關(guān)于超輕石墨烯基蜂窩材料(UGCM)的獨特機(jī)械和機(jī)電性能的發(fā)現(xiàn)，他們發(fā)現(xiàn) UGCM 在與橡膠材料接觸時具有獨特的界面應(yīng)力傳遞機(jī)制(圖 1)。 1)。他們發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的導(dǎo)電氣凝膠不同，超低密度 UGCM (~ 1 mg/cm3) 能夠與橡膠層一致變形高達(dá) 100% 應(yīng)變。這一發(fā)現(xiàn)不僅通過簡單地用橡膠外層包裹它們(形成 GP 層壓板)，賦予了本質(zhì)上脆弱的 UGCM 大的拉伸性;但也提供了一種新方法，可以在混合結(jié)構(gòu)中保留 UGCM 獨特的動態(tài)機(jī)電特性。由此產(chǎn)生的 GP 層壓板對各種應(yīng)變表現(xiàn)出高度敏感的寬帶頻率電阻響應(yīng) (>180 Hz)。
該團(tuán)隊與來自不同學(xué)科的專家合作，試圖進(jìn)一步探索這種 UGCM/橡膠復(fù)合材料是否能夠監(jiān)測微妙和快速的神經(jīng)肌肉功能(圖 2)。該團(tuán)隊對人體進(jìn)行了臨床測試，并以傳統(tǒng)、笨重且昂貴的技術(shù)——肌電圖 (EMG) 為參考，證實了 GP-laminate 用于監(jiān)測不同骨骼肌群的準(zhǔn)確性。EMG 技術(shù)長期以來一直用于監(jiān)測肌肉功能。研究小組發(fā)現(xiàn)，在電或自愿引起的肌肉收縮期間，GP 層對不同強(qiáng)度和頻率范圍的 EMG 表現(xiàn)出高度一致的信號響應(yīng)(圖 3)。這進(jìn)一步允許評估神經(jīng)肌肉運(yùn)動障礙，例如帕金森氏癥和震顫(圖 4)。這項研究是由博士進(jìn)行的。何子君在李丹教授(墨爾本大學(xué)化學(xué)工程)和A/Prof.邱凌(清華大學(xué)清華深圳國際研究生院)。
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