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澳大研發出自供電可穿戴仿生觸覺傳感器

2021-06-23 16:59

澳門大學應用物理及材料工程研究院助理教授周冰樸的研究團隊設計出一種新穎的複合介電體,實現了穿戴式柔性電容式觸覺傳感器的高靈敏度和超寬線性範圍的同步優化。該器件在無外部供電的狀態下亦能夠正常運作,可以應用於健康監測、人機交互及智能控制等不同領域。該研究成果已獲國際頂級學術期刊《先進材料》(Advanced Materials)發表。

近年來,柔性可穿戴傳感器件因其在健康醫療、電子皮膚及智能交互等諸多領域的潛在應用而吸引了廣泛的關注。傳統的電容式柔性觸覺傳感器因介電層的非線性介電行爲和機械變形的限制,其有效工作範圍往往局限於10~100 kPa量級,且難以在檢測靈敏度和線性範圍等關鍵參數進行有效的同步優化,成為制約其進一步面向實際應用的重要原因之一。寬線性範圍及高靈敏度的共存,能夠確保器件在不同壓力範圍均保持出色的檢測性能,既有利於在不同場景下的應用拓展,亦簡化了後續電信號的提取及分析。

受人體皮膚結構的啓發,研究團隊設計出一種由低介電的微纖毛陣列和高介電的粗糙表面及微穹頂陣列構成的複合介電體。該複合介電體具有梯度式的介電特性和可壓縮性,能夠在不同壓力作用下實現低、高介電組分的串並聯轉換,以滿足介電性能和機械性能隨壓力的線性變化,從而實現了電容式傳感器件在高達1000 kPa的超寬範圍内維持線性工作及穩定的靈敏度。該複合介電體同樣適用於摩擦發電式觸覺傳感器,其線性介電行爲以及複合結構既可實現等效面電荷密度隨壓力的線性變化,又可增强接觸起電及靜電感應。因此,該傳感器亦可作爲一種自供電檢測設備,在同樣高達1000 kPa的超寬壓力範圍内,有效地將外力刺激線性地轉換為電壓信號,對人體的健康特征及體動等進行實時的監測。

基於同步實現的高靈敏度和超寬線性範圍,傳感器可在很寬的壓力範圍内維持對壓力的高分辨率。因此,傳感器件不僅可以感知不同應用場景中人體的生理信號(如脈搏、呼吸),用於健康監測,還可組合施加的外力,將電容或電壓信號編碼為控制指令,用於人機交互及智能控制。由於控制指令的輸出可完全由單個傳感器件實現,避免了多傳感元件集成化的需求以及複雜的信號處理和轉換。該複合介電體的設計解決了傳統介電體的介電行爲和機械行爲難以分別調控的問題,為高性能柔性觸覺傳感器的發展提供了新穎的策略。

論文的第一作者為澳門大學應用物理及材料工程研究院博士生冀冰。此項研究由澳門特別行政區科學技術發展基金(檔案編號:0037/2018/A1)及澳門大學(檔案編號:MYRG2017-00089-FST, MYRG2018-00063-IAPME)資助。文章全文可瀏覽:https://doi.org/10.1002/adma.202100859

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