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華南理工大學(xué)江賽華教授團隊 AFM：基于分段嵌入策略的仿軟骨多向應(yīng)變傳感器 - 高彈性及各向異性
2023-11-27  來源：高分子科技

  開發(fā)柔性、可拉伸和靈敏的多向傳感系統(tǒng)，能夠解耦不同的機械輸入實現(xiàn)良好的空間分辨率和可控的多向或多刺激傳感性能，對于動態(tài)人體信號感知和智能人機交互至關(guān)重要。然而大多數(shù)已報道的多向傳感器只適用于分辨平面內(nèi)的變形方向，且傳感材料很難在可拉伸性和機械強度之間取得平衡。


  近期，華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院江賽華教授和陳國華教授團隊，受關(guān)節(jié)內(nèi)軟骨組織復(fù)雜結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，開發(fā)了一種分段嵌入策略來改善聚合物材料的機械性能，并利用此結(jié)構(gòu)固有各向異性實現(xiàn)傳感功能解耦，構(gòu)建可以感知并準(zhǔn)確識別平面內(nèi)正交方向拉伸應(yīng)變以及空間壓縮應(yīng)變的多向應(yīng)變傳感系統(tǒng)。


  為了展示這一結(jié)構(gòu)策略，團隊通過設(shè)計宏觀分段結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了兼顧柔軟性和高韌性的增強復(fù)合材料。將具有優(yōu)異粘彈性的軟材料聚丙烯酰胺凝膠作為基質(zhì)部分，將具有類似膠原纖維束的多孔分層結(jié)構(gòu)的天然生物材料木材作為硬質(zhì)部分的模板，制成了分段嵌入式結(jié)構(gòu)（圖 1）。軟質(zhì)部分產(chǎn)生彈性變形，而硬質(zhì)部分則通過應(yīng)力分散和局部變形支撐大量載荷。軟段和硬段材料通過宏觀機械拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和氫鍵緊密粘合，從而增強了整體延展性，并保留了嵌入材料的部分各向異性結(jié)構(gòu)。這使得它們能夠作為平面?zhèn)鞲袉卧獞?yīng)用于復(fù)雜場景。通過垂直堆疊分段嵌入式單元傳感器，展示了一種具有局部高度排列的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的多向傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)可感應(yīng)多個維度的應(yīng)變，并通過檢測電信號評估和分析對不同方向應(yīng)變變化的獨立響應(yīng)以及應(yīng)變強度方向的識別。通過使用機器學(xué)習(xí)和分類算法，提高了數(shù)據(jù)識別的準(zhǔn)確性，使得該系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測生理信號和人體動態(tài)運動，展現(xiàn)了在可穿戴電子、電子皮膚、人機交互等領(lǐng)域極大的應(yīng)用潛力。 


圖1 分段嵌入結(jié)構(gòu)聚合物的設(shè)計及應(yīng)用概念 


圖2 分段嵌入水凝膠材料的力學(xué)性能


圖3 分段嵌入水凝膠材料的變形貢獻分析


圖4 多向傳感器裝置的制作和傳感應(yīng)用 


圖5 多向傳感系統(tǒng)在監(jiān)測和識別關(guān)節(jié)運動模式和異常情況的應(yīng)用


  目前，該研究以“Cartilage-inspired Multidirectional Strain Sensor with High Elasticity and Anisotropy Based on Segmented Embedded Strategy”為題發(fā)表于《Advanced Functional Materials》上。本文的通訊作者為華南理工大學(xué)江賽華教授，該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金（22175066，52274232）和廣東省自然科學(xué)基金（2023A1515012961）的資助。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202307313

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（責(zé)任編輯：xu）
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