西安交大研發(fā)柔性器件力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計與智能柔性傳感

近年來，隨著重大疾病的流行與大眾健康觀念的提升，可穿戴健康監(jiān)測逐漸興起。人體皮膚應(yīng)變是可穿戴健康監(jiān)測的一項重要指標(biāo)，可全方位反映人體健康信息。但由于人體不同部位的皮膚變形幅度差異較大(兩個數(shù)量級)，開發(fā)具有寬檢測范圍的廣域應(yīng)變傳感器就變得尤為重要。

西安交通大學(xué)仿生工程與生物力學(xué)研究所(BEBC)的研究人員圍繞柔性器件力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計的思路，受到蛇體表交錯重疊、可發(fā)生滑動以順應(yīng)變形的鱗片啟發(fā)，開發(fā)了可延展的仿生疊覆鱗片結(jié)構(gòu)。通常情況下，剛性材料在變形下的斷裂破壞是柔性器件開發(fā)中需要極力規(guī)避的問題，然而該鱗片結(jié)構(gòu)卻“反其道而行”，通過變形下柔性基底上剛性薄膜的斷裂、重疊形成，利用相鄰疊覆鱗片之間的相對滑動順應(yīng)外部變形，顯著降低剛性鱗片自身承受的應(yīng)變，從而提升結(jié)構(gòu)的可延展性(超過100%應(yīng)變)。

研究人員以導(dǎo)電聚合物PEDOT:PSS為例，利用變形下PEDOT:PSS鱗片滑移產(chǎn)生的總體電阻變化，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變傳感，且傳感器檢測范圍及靈敏度可通過改變基底預(yù)拉伸幅度靈活調(diào)控，實(shí)現(xiàn)高靈敏度、寬范圍(1%~100%)應(yīng)變傳感，相較于已有研究成果，應(yīng)變傳感范圍顯著拓寬，進(jìn)一步將傳感器貼附于人體表不同部位，實(shí)現(xiàn)了對于人體正常生理活動(如脈搏、發(fā)聲、吞咽、面部表情、肢體運(yùn)動等)產(chǎn)生的不同幅度皮膚應(yīng)變的有效傳感，展現(xiàn)了應(yīng)用于可穿戴物理運(yùn)動監(jiān)測、心理狀態(tài)評估的潛力。

仿生疊覆鱗片結(jié)構(gòu)廣域應(yīng)變傳感器。(A)蛇皮表面交錯重疊的鱗片;(B)疊覆鱗片結(jié)構(gòu)PEDOT:PSS變形機(jī)理;

(C)疊覆鱗片結(jié)構(gòu)PEDOT:PSS用于應(yīng)變傳感：(D)所開發(fā)疊覆鱗片結(jié)構(gòu)PEDOT:PSS在廣域傳感中的優(yōu)勢;(E)傳感器結(jié)構(gòu);(F)所開發(fā)傳感器用于可穿戴脈搏監(jiān)測(小應(yīng)變);(G)所開發(fā)傳感器用于可穿戴肢體運(yùn)動監(jiān)測(大應(yīng)變)。

該研究成果以《面向可穿戴廣域應(yīng)變傳感的仿生疊覆鱗片結(jié)構(gòu)PEDOT:PSS》(Harnessing the wide-range strain sensitivity of bilayered PEDOT:PSS films for wearable health monitoring)為題發(fā)表于Cell姊妹刊物、國際材料領(lǐng)域頂刊 Matter 上。論文第一作者為BEBC劉灝特聘研究員，BEBC徐峰教授、香港大學(xué)張世銘助理教授以及美國加州大學(xué)洛杉磯分校Ali Khademhosseini教授為共同通訊作者，西安交通大學(xué)為論文第一單位和通訊單位。該研究成果是BEBC繼成功開發(fā)內(nèi)嵌三維螺旋傳感結(jié)構(gòu)(Small. 2018, 14, 1801711)、剛度空間調(diào)控水凝膠材料(Mater. Horiz. 2020, 7, 203-213)、室溫成型導(dǎo)電聚合物水凝膠材料(Adv. Mater. 2020, 32, 1904752)、環(huán)境適應(yīng)型凝膠傳感器件(Small. 2021, 17, 2101151)之后，在軟物質(zhì)力學(xué)、智能柔性傳感領(lǐng)域取得的又一重要進(jìn)展。