Advanced Functional Materials:用于无线人机操控的可拉伸、超灵敏的智能传感器

【研究背景与前期工作】

可穿戴柔性应变传感器在智能医疗、电子皮肤、人机操控等领域展示出巨大的优势和应用前景。近年来,金属性二维导电纳米材料已在电阻型可拉伸应变传感器中得到了广泛的探索和应用。然而,可用于高性能应变传感器的金属性二维导电纳米材料的种类有限,并且其对力学信号的传感性能需要进一步增强。大应变区间、高灵敏度、快响应速度和长耐久度成为了柔性可拉伸应变传感器的主要需求。此外,基于应变传感器的人机操控领域的应用场景设计、信号无线传输和人—机实时控制同时也为柔性智能传感器在该领域的进一步应用提出了新的挑战。前期,西北工业大学和南京工业大学黄维院士、朱纪欣教授团队制备了高性能金属性VN/CNTs气凝胶混合物,并将其设计成适用于微小应变的高灵敏度、高耐久度和高响应速度的柔性应变传感器,成功应用于实时的人机操控系统和多种人体物理信号的探测(Nano Lett. 2020, 20, 3449−3458. DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00372)。

【文章简介】

针对以上问题,为进一步拓宽可用于高性能柔性智能传感器的金属性导电纳米材料的种类,提升器件性能并丰富人机操控应用场景,黄维院士、朱纪欣教授团队提出一种高效、安全的可控“脱氧-氮化”策略,实现了高性能金属性的氧掺杂氮化矾(VNO)纳米片的制备。由于VNO具有高导电性和二维纳米形貌,基于其制备的可拉伸应变传感器具有大应变区间、高灵敏度、快响应速度和长耐久度的优异性能。制备的应变传感器可以实时捕获人体的各种生理信号,并且成功应用于无线智能车实时控制系统。此外,通过设计VNO功能层的厚度,器件还可以充当弹性导体,证明了其在弹性导体应用中的可行性。该研究成果以题为“Stretchable and ultrasensitive intelligent sensors for wireless human–machine manipulation”发表在国际著名期刊Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202009466)上,第一作者为博士研究生张洪健。

【文章内容】

要点1:金属性VNO纳米片的可控“脱氧氮化”合成策略

在V2O5·nH2O气凝胶前驱体的基础上,利用固体胺的热解效应,实现简便、可控的“脱氧-氮化”策略。在不同热处理温度下,获得一系列“脱氧-氮化”产物,其中包括氮掺杂氧化钒(VON)纳米片以及金属性VNO纳米片。通过对产物形貌、元素、结构、化学键和电学性能分析,同时结合第一性原理的计算结果,证实了物相由V2O5·nH2O逐步转化为V2O3,VO,VO0.9和VN的反应过程,以及由半导体特性向金属特性的转变。

要点2:器件的制备与“传感器”、“弹性导体”双功能可控调节

采用抽滤和转移的方法,实现VNO纳米敏感材料与柔性基底的牢固结合,从而制备高性能柔性器件。通过定量调控VNO层的厚度,实现器件从高性能应变传感器到弹性导体的可控转变。其中,制备的应变传感器具有高灵敏度(最大灵敏因子GF为2667)、大应变范围(0~100%)、长耐久度(大于6000次拉伸)和快响应速度(44 ms),制备的弹性导体具有2.46 S m–1的电导率。

要点3人体微弱信号监测与可穿戴舒适性评估

将所制备的柔性传感器成功地应用于对人体微弱信号的探测,如咳嗽、吞咽等动作、腕部动脉监测及声带的声音检测等。此外,对柔性传感器的可穿戴舒适性进行了评估,如皮肤散热性、皮肤的相容性等。

要点4:基于传感器的无线人机操控系统和基于弹性导体的导电线路

利用所制备的柔性传感器对人体关节运动的传感特性,设计了基于VNO柔性传感器的无线智能车操控系统。通过手指简单的运动,可以无线控制智能车实现躲避障碍物、定点移动等功能。该应用场景为残障人士或老年人智能代步车的设计提供了可能性。此外,制备的弹性导体应用于导电线路中,可以实现在拉、弯、扭状态下的导电功能。

【总结】

总之,作者通过可控的“脱氧-氮化”策略合成了金属性VNO纳米片,其中V2O3,VO,VO0.9的氮掺杂相(VON)和VN的氧掺杂相(VNO)依次形成。基于金属性VNO纳米片,通过简便的方法制造了高性能的可拉伸应变传感器,其最大GF为2667,检测范围为0~100%,在6000个拉伸释放循环中具有稳定性,响应时间为44 ms。传感器在人体运动检测方面表现出卓越的性能,例如咳嗽,吞咽,手腕搏动,声音和关节运动。此外,作者基于此传感器为特殊群体设计了无线智能车控制系统,还证明了通过调控VNO层厚度使器件应用于弹性导体的可能性。

(文稿来源:博士研究生张洪健)