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可穿戴无源力学传感器的构筑及对多尺度人体活动的监测

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发表于 2019-1-10 10:44:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
随着可穿戴设备的爆发式发展,与其密切联系的可穿戴传感技术也得到了广泛的研究。可穿戴柔性力学传感器可以集成到衣物或直接接触人体,对肢体运动、心跳等多种人体活动进行实时监测,因而在运动动作捕捉、医疗保健、军事、人机交互系统等与人体活动相关的领域具有巨大的应用前景。目前研究较多的柔性力学传感器主要为电阻型和电容型。它们通过测量电阻或者电容值在外部应力应变作用下的变化来实现力学传感。基于新材料和新结构的各种电阻型电容型传感器纷纷出现,对于人体运动的检测表现出了高灵敏性、良好稳定性、以及优异的可穿戴性。然而,对于典型的电阻式和电容式传感器而言,在没有类似于非对称结构等的特殊设计下,它们是不易检测出不同方向的力学变形的,不利于复杂多维运动的监测。传感器对外部电源的需求也会在一定程度上影响可穿戴系统的简单性和集成性。此外,对于目前的可穿戴传感研究而言,能实现对于包括大范围肢体运动和微弱生理信号在内的多尺度人体活动的监测仍然是重要挑战之一。
近期,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所陈韦研究员团队发展了基于离子压电效应的可穿戴离子型无源力学传感器,并且实现了对于人体多尺度多维活动的实时监测。离子型传感器是由离子聚合物和导电电极构筑而成的三明治结构,其中以贵金属材料或者石墨烯材料作为电极材料,以离子液体作为电解质。在受到力学形变作用下,其内部可移动离子会发生定向移动,由于离子液体中阴阳离子的移动速度不同,导致两侧电极上离子的非平衡分布,从而产生电压输出。与传统的压电特性相类比,这种通过离子运动将机械能转化为电能的特性被称之为离子压电效应。与电阻式以及电容式传感器相比,该离子型传感器无需外部电源,并且可以对力学变形的方向进行识别。以贵金属作为电极时,传感器在1.8%的弯曲应变下能产生1.3mV的电压输出,而当采用大比表面积的石墨烯复合材料作为电极后,传感器的输出电压得到了大幅度的提高。通过Parylene真空气相沉积技术进行封装后,能有效实现传感器在空气中的长时间稳定性,为传感器的进一步实际应用打下基础。
该离子型无源传感器可直接贴敷在人体皮肤或衣物上对多种多样的人体活动进行实时监测。我们的研究结果表明对于大范围的不同方向的手腕运动、人体的健康/不良坐姿变化、剧烈运动前/后的微弱脉搏波信号的变化、以及手指触摸运动等不同类型不同范围的人体活动,离子型传感器都能实现良好的监测和分辨。这表明了离子型无源力学传感技术在可穿戴实时监测和友好人机交互等领域的巨大应用前景,从而为可穿戴传感技术的发展探索了一条具有鲜明特色的路径。
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