近日，記者從南開大學(xué)獲悉，該校藥物化學(xué)生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉遵峰、史林啟團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國內(nèi)外多個科研團(tuán)隊(duì)，研獲了一種大形變電阻型應(yīng)變傳感器。這種傳感器在電子皮膚、可穿戴電子設(shè)備、健康醫(yī)療監(jiān)測以及工業(yè)傳感器等領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用前景。
目前，國內(nèi)外市場正刮起新一波可穿戴設(shè)備潮，其可用于對個人的生活和運(yùn)動進(jìn)行跟蹤并提供數(shù)據(jù)共享，前景廣闊，是一項(xiàng)在根本上改變?nèi)祟愥t(yī)療健康的新技術(shù)。一方面，我國人口老齡化造成醫(yī)療需求的急劇增長；另一方面，我國醫(yī)療資源供給嚴(yán)重短缺，尤其在偏遠(yuǎn)地區(qū)。供需缺口為移動醫(yī)療帶來機(jī)遇，而移動互聯(lián)和大數(shù)據(jù)的高速發(fā)展又為移動醫(yī)療的發(fā)展提供了必要條件。比如，將來，冠心病、高血壓、糖尿病等慢性疾病的患者可不僅接受藥物治療，還接受包括遠(yuǎn)程監(jiān)測、遠(yuǎn)程治療方案調(diào)整、生活方式管理、可穿戴式給藥在內(nèi)的整體疾病管理方案。因此，對于可穿戴設(shè)備的研發(fā)，全世界的科研人員從沒有停止過腳步。在南開大學(xué)，亦是如此。
據(jù)了解，近年來，高分子納米自組裝研究備受關(guān)注。高分子與納米粒子可以自發(fā)地形成穩(wěn)定有序的結(jié)構(gòu)，形成具有新奇電、光、熱、力等功能和特性的自組裝材料。高分子與納米粒子的自組裝不僅呈現(xiàn)出豐富的形貌，而且也賦予了高分子自組裝體動態(tài)的功能。
電阻型應(yīng)變傳感器可以通過監(jiān)測電阻測量形狀變化，具有制備簡單、檢測方便、耗能低的優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于可穿戴設(shè)備與健康醫(yī)療監(jiān)測領(lǐng)域。商業(yè)化的金屬應(yīng)變片作為傳統(tǒng)的電阻型應(yīng)變傳感器，其測量范圍通常小于5%形變，遠(yuǎn)不能滿足可穿戴設(shè)備的要求(人體皮膚最大形變超過50%以上)。
常用的電阻型應(yīng)變傳感器是將高分子彈性體與納米導(dǎo)電粉末混合起來制成復(fù)合材料。其原理是利用拉伸形變下導(dǎo)電粉末之間的接觸斷開，從而導(dǎo)致電阻增加。該方法很靈敏，但是應(yīng)變與電阻變化很難成正比關(guān)系，且響應(yīng)滯后，因此難以用于準(zhǔn)確測量。
基于以上問題，南開大學(xué)劉遵峰、史林啟團(tuán)隊(duì)，制備出了一種雙層褶皺結(jié)構(gòu)的電阻型應(yīng)變傳感器。通過對高分子彈性體纖維預(yù)拉伸，然后在高分子彈性體表面自組裝彈性體薄層和碳納米管薄層，再釋放預(yù)拉伸。利用“釋放預(yù)拉伸”過程中的誘導(dǎo)作用，構(gòu)建了“褶皺彈體層”+“褶皺碳納米管”的“雙層褶皺”結(jié)構(gòu)，制備了大形變電阻型應(yīng)變傳感器。
據(jù)介紹，該“雙層褶皺”結(jié)構(gòu)在拉伸下，褶皺之間的接觸減小，從而導(dǎo)致褶皺之間接觸電阻增大，材料整體的電阻在大形變范圍內(nèi)(200%)隨應(yīng)變呈線性增加。該傳感器可用于監(jiān)測人體運(yùn)動，肢體彎曲和人體呼吸等，并表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。
近日，介紹該研究工作的論文《ABi-SheathFiberSensorforGiantTensileandTorsionalDisplacements》(用于大形變的拉伸和扭轉(zhuǎn)“雙層”纖維位移傳感器)發(fā)表于材料領(lǐng)域國際權(quán)威期刊《AdvancedFunctionalMate⁃rials》(先進(jìn)功能材料)上，南開大學(xué)藥物化學(xué)生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為論文第一單位。該研究受國家自然科學(xué)基金、南開大學(xué)相關(guān)計劃等資助。
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