新疆理化所在柔性應(yīng)變觸覺傳感器領(lǐng)域研究取得進(jìn)展
柔性應(yīng)變觸覺傳感器在機器人、可穿戴電子學(xué)等領(lǐng)域受到了極大的關(guān)注。近年來，具備寬廣傳感范圍與高靈敏度的電阻型柔性應(yīng)變傳感器取得了顯著的進(jìn)展。然而，這些傳感器在電子皮膚觸覺傳感應(yīng)用中存在長期耐用性的技術(shù)瓶頸。
目前，通過構(gòu)建保護層以隔離傳感材料與外部環(huán)境是提高傳感器長期耐用性的常見策略。盡管通過構(gòu)建保護層策略可提升傳感器耐久性，但由此引發(fā)的層間相互作用會導(dǎo)致滯后性增加和穩(wěn)定性下降，嚴(yán)重影響其在醫(yī)療監(jiān)測等精密場景的應(yīng)用效能。因此，關(guān)于如何在提升電阻型柔性應(yīng)變觸覺傳感器長期耐用性的同時保持其高性能傳感性能，仍然是該領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。
針對上述挑戰(zhàn)，中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所材料物理與化學(xué)研究室研究科研團隊提出了一種創(chuàng)新的解決方案。通過設(shè)計一種具有Ravioli Pasta結(jié)構(gòu)(RPS)的可拉伸應(yīng)變傳感器，該傳感器通過雙靜電紡絲納米纖維和噴涂碳納米管技術(shù)實現(xiàn)。將具有島橋微裂紋結(jié)構(gòu)的復(fù)合傳感材料嵌入雙靜電紡絲納米纖維薄膜，創(chuàng)新構(gòu)建三維恢復(fù)力系統(tǒng)。該結(jié)構(gòu)通過梯度孔隙率調(diào)控和碳納米管噴涂工藝的協(xié)同作用，實現(xiàn)了微裂紋自愈合功能，使傳感器在50%應(yīng)變條件下仍保持24ms快速響應(yīng)，經(jīng)12000次循環(huán)測試后靈敏度系數(shù)(GF)穩(wěn)定維持在37.38，滯后系數(shù)(γ)低至3.568%。同時，在應(yīng)用驗證中，該傳感器成功實現(xiàn)對人體脈搏、呼吸等微弱生理信號的穩(wěn)定采集，并在機器人手部運動控制系統(tǒng)中展現(xiàn)出優(yōu)異的動態(tài)響應(yīng)特性。
這種三維恢復(fù)力結(jié)構(gòu)設(shè)計突破了傳統(tǒng)層狀復(fù)合材料的物理限制，為構(gòu)建兼具長期耐用性與高靈敏度的柔性傳感系統(tǒng)提供了技術(shù)指導(dǎo)。此項研究創(chuàng)新性地將材料級配復(fù)合與微結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計相結(jié)合，不僅解決了柔性電子器件工程應(yīng)用中的關(guān)鍵可靠性問題，更為可穿戴醫(yī)療設(shè)備、智能機器人等領(lǐng)域的傳感器設(shè)計提供了新的理論支撐。
相關(guān)研究成果以“Island-Bridge Microcracks with Nanofiber and Carbon Nanotube Composites for High-performance Flexible Strain Sensors”為題發(fā)表于Composites Part B: Engineering期刊，碩士研究生林凱賢為第一作者，中國科學(xué)院新疆理化所趙鵬君研究員和重慶綠色智能技術(shù)研究院楊俊研究員為共同通訊作者，中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所為第一單位。該工作得到了新疆維吾爾自治區(qū)重點研發(fā)計劃、天山英才科技創(chuàng)新團隊等項目的資助。
圖：構(gòu)筑的島-橋微結(jié)構(gòu)柔性應(yīng)變觸覺傳感器及其在機器人手勢控制方面的應(yīng)用
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