静电纺丝技术再次荣登Science:超灵敏的压力传感器

静电纺丝技术 压力传感器技术
纳米纤维材料    2021-01-07    975

  监测手指触觉而不干扰固有功能是自然触觉的关键。然而,佩戴或附着的传感器会影响皮肤的自然触觉。在指尖上使用柔软灵活的传感器可以直接测量手指与其他物体之间的力;传感器的机械性能降低了由于皮肤与传感器之间的机械不匹配而引起的物理干扰。此外,弹性体基底的使用以及传感器厚度的减小大大改善了传感器对皮肤的贴合性,并且能够更精确地监测手指的触摸。目前,如何在不失去任何触觉的情况下监测手指的触摸是最大的挑战。

  日本东京大学TakaoSomeya团队基于电纺纳米纤维,开发出了超级灵敏的电容式纳米网络压力传感器,该传感器由多层导电和电介质纳米网状结构组成,可以在制造过程中直接层压在人体皮肤上。集成于皮肤的纳米网状电极具有可拉伸性、高度透气性以及极低的弯曲刚度,不会对皮肤产生任何机械约束或皮肤病学刺激,可以准确的监测手指压力,并且不会对人产生感官影响。相关论文以“Nanomeshpressure sensor for monitoring finger manipulation without sensory interference”为题,于11月20日发表在《Science》上。

图片.png  制备过程:

  首先利用静电纺丝技术将水溶性聚合物聚乙烯醇(PVA)制备成宽度为300至500 nm的纳米纤维多层网状网络。然后,在PVA纳米网层上沉积100 nm厚的Au层后转移到皮肤表面。该力学传感器为典型的电容器结构,整体结构分为四层,分别为嵌入纳米网络的聚氨酯钝化层、顶部金纳米网络电极层、涂有聚对二甲苯涂层的聚氨酯纳米网络中间层,底部金纳米网络电极层。此外,传感器的压力灵敏度主要取决于中间层的机械性能。选择使用聚对二甲苯涂层的聚氨酯中间层作为此传感器,因为与使用纯聚氨酯中间层的传感器相比,它具有更高的灵敏度。

图片.png  图1 纳米网压力传感器的结构。

  使用200 nm聚对二甲苯涂层的聚氨酯中间层的传感器的电容变化。灵敏度(电容变化-压力曲线的斜率)在低压范围(<1 kPa)中为0。141 kPa-1,在高压范围(> 10 kPa)中为0。010 kPa-1。除了纳米网中间层之外,用于形成顶层金纳米网层的PVA纳米纤维的数量也影响了传感器的灵敏度。当PVA纳米纤维的数量较少时,灵敏度为0。028 kPa-1。相反,当PVA纳米纤维的数量很大时,灵敏度降低到0。0014 kPa。反复循环施压后,纳米网传感器保持其功能。在以19。6 kPa的压力进行1000次循环后,其性能下降不到0。15%(电容变化在第一个周期为0。658,在第1000个周期为0。659)。此外,顶部Au纳米网电极在反复循环压制过程中保持了导电性,而没有明显降低。

图片.png  图2。纳米网压力传感器的电气特性。

图片.png  图3。纳米网传感器的耐摩擦性。

图片.png  图4 纳米网传感器对人的触觉的影响。

  为了科学地证明纳米网传感器对人类感觉的最小影响,研究者进行了一个物体抓取实验。通对比在手指上贴上传感器与裸露的手指的抓握力,结果表明,贴上传感器与裸露手指相差无几,而在贴了2微米厚的力学传感器后,手指的抓握力还增加了14%。同时,该传感器具有极好的机械耐久性,可抵抗超过数百千帕的周期性剪切和摩擦。

  论文链接:https://science。sciencemag。org/content/370/6519/966?rss=1

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