一种具有多重传感功能的可拉伸电子织布

人的皮肤富含大量敏锐的各类传感受体,这些传感受体可以将所受到的外部环境中各类刺激转换为电信号传导给大脑,使人类能够从容的应对复杂的周边环境。近年来,科学家对研具备人体皮肤感知功能的电子皮肤颇感兴趣,因为将这种电子皮肤应用到类人机器人和人体假肢上,可以使他们更加智能化。此外,如果在外科医生的手套加上一层电子皮肤后,也能为外科医生提供准确的触觉感知。为了模拟人类皮肤的感知功能,我们需要在人工电子皮肤上集成一个传感器网络,能准确的辨别外力刺激的大小和种类(如压力,拉伸应力和弯曲应力等),并能对这些外力的空间分布状况进行成像。有了这些功能后,机械手就可以像人的手一样实现对物体的抓握功能。如果将电子皮肤安装到机器人的关节部位,就可以记录肢体的移动情况和姿态。在此基础上,电子皮肤还需要具备像人体皮肤一样的弹性,能贴合到复杂曲面和可移动部位,承受住反复弯曲和拉伸等机械变形的破坏。与此同时,为了使这种电子织布产品实现工业化,它的制备成本需足够低廉,制备材料需来源广泛,并且可以实现大规模生产。AMyushuhong

在过去的十年里,柔性电子皮肤取得了长足的进展,其对外力响应的敏感度、响应速度以及力学成像的分辨率等性能越来越优异。然而,这类电子皮肤不具有可拉伸性,并只能提供压力信号。最近,科学家们以可拉伸功能材料为原材料,制备出了多种可拉伸力学传感器,实现了传感器可同时对压力、拉伸应力和弯曲应力响应的功能。然而,如何将这些传感器组装成可拉伸变形的传感器阵列依然是个挑战。迄今为止,还没有传感器阵列能同时对压力、拉伸应力以及弯曲应力的空间分布进行成像的报道。其瓶颈在于如何保证单个传感器在变形下依然拥有优异的传感性能,同时使传感器与弹性导线之间的连接点在外部变形下不被破坏。

为了解决上述难题,中国科学技术大学俞书宏教授领导的研究组提出了一种基于螺旋和同轴电缆结构的可拉伸电子织布。这种电子织布可以同时感应和区分多种类型的外力刺激,并能对织布上的空间应力分布进行成像,相关研究成果发表Advanced Materials(DOI: online casino 10.1002/adma.201504239)上。

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该研究组研制的这种电子织布之所以同时实现了可拉伸性和多重力学传感功能,正是因为这独特的螺旋和同轴电缆结构,使得电子织布中“十字”型传感器单元具有可拉伸性和多重力学传感特性。在拉伸状态下,螺旋状的银纳米线电极在保持良好的导电性的同时,同轴电缆结构能够确保银纳米线电极与传感材料(导电硅橡胶)之间良好的接触,使得信号的采集和传输保持极高的稳定性。另外,该“十字”型传感器单元采用接触电阻和压缩电阻两种传感机理,在各种类型的外力作用下,接触面积和导电橡胶涂层厚度都会发生显著变化,从而实现多重力学传感功能。更重要的是,通过记录银纳米线电极的电阻变化,可以有效的区分出不同种类的力(如压力、拉伸应力、弯曲应力)。纤维状的传感单元可以承受100%的拉伸应变,并保持超过50%的初始压力灵敏度。传感器单元对压力的响应时间短至8 ms,可用于实时检测人体的脉搏压力。由于传感器单元可以同时检测拉伸和弯曲应力,它可以有效的记录人类肢体的移动过程和姿势。除此之外,这种传感器信号稳定,使用寿命长,通过超过10万次的反复压缩测试,感应信号的强度依然没有衰减,响应速度也没有变慢。将电子织布上的这些传感器单元产生的信号收集起来,就可以实现对外力空间分布的成像。这种电子织布结构简单,易于规模化制备。通过商用的浸渍涂敷法即可制备出传感器的电极,再通过织布机即可编制出大面积特定形状的电子织布。我们预期,这种具有多重力学感应和成像功能的可拉伸电子织布可作为可穿戴电子皮肤,应用于未来的类人机器人、人体假肢、电子手套、可穿戴健康监测设备等领域。