新加坡國立大學歐陽建勇教授課題組：可粘附的可穿戴應變傳感器

2020-10-31 柔智燴

新加坡國立大學歐陽建勇教授課題組：可粘附的可穿戴應變傳感器

近年來，柔性可穿戴應變傳感器在健康醫療監測、人體運動監控以及人機互動等領域得到了巨大的關注。雖然在文獻中報導的柔性應變傳感器一般可拉伸從而能監測人體的運動，但它們與皮膚的接觸會受到人體運動的影響而並不能總是與皮膚形成良好的共形接觸，因此會產生較為嚴重的噪音。尤其是在凹形的皮膚表面或是皮膚會形成凹面的運動，傳感器甚至會部分與皮膚表面分離，從而無法準確地監測人體的運動，甚至產生虛假的信號。這些噪音及虛假的信號嚴重的限制了柔性可穿戴傳感器的實際應用。

  針對這一問題，新加坡國立大學歐陽建勇教授課題組發明了一種可以總是與皮膚保持良好接觸的柔性可拉伸應變傳感器。該器件具有粘附層和感應層兩層結構，粘附層為具有生物相容性的水性聚氨酯(WPU， 圖1)，感應層為石墨烯/碳納米管的水性聚氨酯複合物。粘附層能保證該器件在人體運動過程中總是與皮膚形成良好的共形接觸，準確地跟隨皮膚的變形而變形。與其他非粘附的柔性可拉伸應變傳感器相比較，這些器件能產生顯著低的噪音和高的質量的信號。不論是肌肉運動這樣的小應變，還是關節大範圍運動的大應變，該傳感器都能準確監測並產生良好的信號。當該粘附應變傳感器被貼附在不平整或者不規則皮膚表面時，其對信號質量的提升更加明顯。此外，該傳感器還能夠用於同時監測來自兩個不同方向的運動，這是普通非粘附的應變傳感器所做不到的。

圖1. （a）可粘附柔性應變傳感器的結構示意圖，包括頂層感應層以及底部的粘附層。（b）粘附水性聚氨酯（aWPU）的化學結構。（c）aWPU的硬段及軟段成分。（d）aWPU硬段域及軟段域的微觀結構示意圖。（e）硬段含量為25%、30%、35%及40%的aWPU照片。（f）aWPU-25%, aWPU-30%, aWPU-35% 和 aWPU-40%分散液的動態光散射圖譜。

  如圖2，當用於監測食指彎曲運動時，可粘附應變傳感器所產生的信號光滑且穩定，相反，非粘附的應變傳感器所產生的信號較為雜亂，且有明顯的噪音。這是因為可粘附傳感器總是可以和皮膚表面形成良好的共形接觸，從而顯著降低噪音，而非粘附的應變傳感器與皮膚的接觸容易收到運動的影響。

圖2. 傳感器在食指上的位置（a）示意圖及（b）照片。（c）當食指彎曲時可粘附傳感器（右）和非粘附傳感器（左）所產生的信號。

  該研究小組還對比了當關節多方向運動時，該粘附應變傳感器較普通非粘附應變傳感器的優勢。比如，當腕關節向下彎曲時，皮膚表面形成凸面，非粘附應變傳感器能夠跟隨彎曲角度的不同產生不同的電阻信號，然而當腕關節向上彎曲形成凹面時，非粘附傳感器將會與皮膚表面分離，從而不產生信號。然而該幹粘附應變傳感器對不論是哪個方向的運動，都能產生高質量的信號，且靈敏度更高。

圖3. （a）可粘附應變傳感器和非粘附應變傳感器監測關節凸向運動及凹向運動的示意圖。（b）腕關節向下彎曲形成凸表面，向上彎曲形成凹表面。（c）可粘附應變傳感器和（d）非粘附應變傳感器監測腕關節不同彎曲角度時的信號響應。（e）可粘附應變傳感器和（f）非粘附應變傳感器連續監測腕關節彎曲時的信號響應。

穿戴式可拉伸應變傳感器在許多領域都有重要的應用。然而，高噪聲對於它們用於監測身體運動的應用是一個很大的障礙。噪聲主要是由於與傳感器和皮膚之間接觸不良有關的運動偽影。在這裡，展示了可穿戴的可拉伸乾燥和自粘應變傳感器，即使在身體運動期間也始終可以與皮膚形成共形接觸。它們是通過溶液塗層製備的，由兩層組成：由生物相容性彈性體水性聚氨酯製成的幹粘合劑層和由還原性氧化石墨烯和碳納米管的非粘合劑複合材料製成的傳感層。粘合層使傳感器貼合皮膚，而傳感層則表現出對應變敏感的電阻。傳感器用於精確監視小型和大型人體運動，包括各種關節運動和肌肉運動。即使在曲線皮膚表面和不規則皮膚變形期間，它們也始終可以生成高質量信號。靈敏度明顯高於非粘性應變傳感器，而噪聲顯著低於非粘性應變傳感器。它們還可以用於監視沿兩個垂直方向的運動，這是非粘性應變傳感器無法實現的。

  

論文原題： " Wearable stretchable dry and self-adhesive strain sensors with conformal contact to skin for high-quality motion monitoring"發表在Advanced Functional Materials上，通訊作者為歐陽建勇教授，第一作者為來自浙江大學的訪問博士王珊。

原文連結：https://doi.org/10.1002/adfm.202007495

來自：中國聚合物網

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