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基于非對(duì)稱互鎖梯度模量結(jié)構(gòu)的柔性電容式壓力傳感的研究

2023-12-11

近年來(lái)，可穿戴電子皮膚（e-skin）得到了廣泛關(guān)注。為了適應(yīng)應(yīng)用場(chǎng)景的復(fù)雜性和多樣性，對(duì)于具備多功能性、全面性和強(qiáng)適應(yīng)性的電子皮膚的需求不斷增加。然而，柔性聚合物固有的高粘彈性使得傳統(tǒng)的電子皮膚普遍存在靈敏度低、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、穩(wěn)定性差等問(wèn)題。

人體皮膚作為一種天然的感受器，具有優(yōu)秀的感知功能。其從外到內(nèi)依次分為角質(zhì)層、表皮層、真皮層和皮下組織層。其中，表皮層和真皮層之間精密的互鎖結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)皮膚對(duì)各種環(huán)境刺激的感知，如濕度、溫度、壓力等，從而提高皮膚對(duì)于各種刺激的敏感性。與此同時(shí)，人體皮膚從外向內(nèi)呈現(xiàn)出彈性模量依次遞減的變化趨勢(shì)，很好地優(yōu)化了應(yīng)力傳遞，并高效地將其傳遞給位于真皮層的大量機(jī)械感受器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于各種外界刺激的準(zhǔn)確感知。

近日，復(fù)旦大學(xué)的武利民課題組研發(fā)了一種基于非對(duì)稱互鎖梯度模量結(jié)構(gòu)的柔性電容式壓力傳感用于超寬范圍壓力監(jiān)測(cè)。在該傳感器中，非對(duì)稱互鎖的結(jié)構(gòu)化電極為監(jiān)測(cè)范圍的拓寬起到了至關(guān)重要的作用。團(tuán)隊(duì)采用摩方精密nanoArch?S130（精度：2μm）3D打印設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了非對(duì)稱互鎖穹頂結(jié)構(gòu)模板的高精度打印，并創(chuàng)新性地將非對(duì)稱互鎖的結(jié)構(gòu)化電極和梯度模量的概念結(jié)合起來(lái)，在保障了傳感器其余性能的同時(shí)，進(jìn)一步擴(kuò)大了監(jiān)測(cè)范圍，確保了傳感的可靠性。該傳感器最大限度地利用了微結(jié)構(gòu)構(gòu)筑的可變形空間，極大地放大了外界刺激，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能：包括9.89kPa-1的高靈敏度，1.84 Pa-530 kPa的超寬感知范圍以及0.7 mm的超薄厚度。

除此之外，本研究還將該制備的傳感器搭載在一個(gè)智能平臺(tái)上，并選取鼠標(biāo)作為演示案例。在實(shí)際應(yīng)用展示中，該智能平臺(tái)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)鼠標(biāo)使用過(guò)程中不同按鍵的壓力信息，并根據(jù)人們使用鼠標(biāo)的習(xí)慣，調(diào)整不同按鍵的柔軟程度，使人們以最舒適、最自然的壓力握住該鼠標(biāo)。該平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念，源于人體皮膚可以根據(jù)大腦皮層提供的信息進(jìn)行精妙地反饋這一功能，旨在探索下一代醫(yī)療保健和人機(jī)交互的發(fā)展方向。連續(xù)碳纖維3d打印機(jī)

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