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人體監測的案例

低成本的塑料傳感器:可用于監測人體健康狀況!
當集成到診斷設備中時,它可以快速、便宜、準確地監測健康狀況。這種新設備的設計比現有的傳感器要簡單得多,為細胞水平的健康監測提供了廣泛的新可能性。 目前,研究中采用的那些半導電塑料,正用于太陽能電池和柔性電子的開發,但是尚未廣泛應用于生物領域。 劍橋大學化學工程與生物技術系博士后研究員、論文領導作者 Anna-Maria Pappa 博士表示:“在研究中,我們已經突破了用酶作為傳感材料的傳統電化學傳感器的許多局限。在傳統生物傳感器中,傳感器電極與傳感材料之間的通信并不是很高效,所以有必要添加分子導線來‘增強’信號。” 為了開發他們的傳感器,Pappa 和她的同事們采用帝國理工大學新合成的聚合物作為分子導線,直接接收電化學反應期間產生的電子。當材料與汗液、淚液、血液產生接觸時,它會吸收離子并產生溶脹 ,變得與液體融合在一起。相比于由金屬電極制成的傳統傳感器,其靈敏度明顯高很多。 此外,當傳感器合結合更復雜的電路例如晶體管時,信號會被放大并對于代謝物濃度的微小波動作出響應,盡管設備的尺寸可以做得很小。 傳感器的初始測試是用于測量乳酸水平,這對于健康應用或者病人的術后監測很有用。然而,研究人員稱,傳感器可以經過簡單修改,包含適當的酶,來檢測其他代謝產物,例如葡萄糖或者膽固醇。而且,傳感器檢測的濃度范圍可通過改變設備的幾何形狀來調整。 價值 Pappa 表示:“這是首次采用一種接收電子的聚合物,它可以經過調整用于改善酶之間的通信,從而直接監測代謝物。在這之前,此類監測都無法直接完成。它為生物傳感領域開辟了新的方向,材料可以經過設計與特定的代謝物相互作用,帶來敏感度和選擇性都好很多的傳感器。” 因為傳感器并不是由金或鉑之類的金屬組成,所以它的制造成本相對較低,并且很容易與可拉伸的柔性基底結合到一起,從而實現可穿戴或者植入式的傳感應用。
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西南交大周紹兵《JMCA》鹽響應,三重形狀記憶,兩性導電自愈自粘超分子水凝膠可穿戴設備監測人體健康
【專業背景】 如今,可穿戴柔性電子設備(WFE)為物理和化學監測提供了一種有效的方法,例如檢測人類活動和人類汗液。但是,由于目前報道的大多數柔性傳感器僅專注于監測身體活動,因此有必要開發出可以捕獲人體各種數據以獲取更深入的健康信息的靈活設備。人體汗液是一種重要且易于獲取的體液,其中含有大量化學物質,可以反映個人的生理狀態。因此,可穿戴汗液傳感器的發展為生理和生物醫學監測應用打開了大門。因此,迫切需要開發具有鹽響應的形狀記憶水凝膠傳感器。 形狀記憶水凝膠(SMH)是一類智能材料,能夠在熱,光,電,磁,溶劑和化學環境等近似刺激下從編程的臨時形狀恢復其原始形狀。精心設計以顯示雙重,三重和多重SME。雙重SME可以在兩種形狀之間進行轉換,而三重和多重SME可以在三種或更多形狀之間實現獨特的形狀轉換行為,從而賦予傳感器更易訪問的特性。由于基于SMH的傳感器直接在人體上使用,因此采用溫和且生物環境友好的刺激來激活SME應該是先決條件,在這種情況下,鹽介導的SMH可以很好地滿足傳感器的這一要求。 聚兩性電解質水凝膠可以響應鹽溶液的刺激。在多兩性離子水凝膠中,帶正電和帶負電的基團同時位于分子鏈上。因此,水凝膠中帶相反電荷的基團之間存在靜電相互作用,導致可逆的物理交聯形成。鹽溶液可以通過分別與帶正電荷和帶負電荷的基團結合的鹽離子來破壞這些靜電相互作用。因此,聚兩性電解質水凝膠具有許多出色的功能,例如可拉伸性,自愈性,自粘和導電性以及SME。 【科研摘要】 由多功能水凝膠制成的WFE提供了一種監控人類健康方法。最近,西南交通大學周紹兵教授團隊設計和制造了一種具有鹽介導的三重SME,離子電導率(0.24–3.06 S m-1),高拉伸性(高達1500%)和自愈特性(高達70%)的超分子聚兩性水凝膠。可用作形狀記憶傳感器和應變傳感器。
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熱塑性彈性體光纖用于監測極端形變
圖3 光纖在人體活動監測中的應用 從圖3可以看出,集成有這種具有核-包層結構的熱塑性彈性體光纖的電子器件能夠對人體運動及壓力進行靈敏、準確的監測。 來源:高分子科學前沿
南工IAM黃維院士、于海東教授、呂剛教授《Nano Energy》:在日常用品表面集成多種功能的柔性智能電子器件
這種智能創可貼不僅可以用于接觸感知(即可以作為可穿戴應變傳感器檢測各種幅度的人體活動),也可用于非接觸式感應(圖 2)。由于智能創可貼具有高度的靈活性和優良的便捷性,可以在不影響正常人體活動的情況下實現人體活動的監測和識別。尤其是,這種智能創可貼具有高靈敏的性能和超智能的特性,可以檢測一般應變傳感器難以檢測的人體脈搏和呼吸等功能信號。因此,這項研究成果在監測人體健康狀況方面具有巨大的應用潛力。 圖2. 利用智能創可貼感應人體活動的圖示。 這種智能創可貼還具有手勢識別功能,在虛擬現實、人機交互活動中顯示出創新性的應用場景。研究人員可以利用智能創可貼隨意遙控玩具車的運動,展示了利用智能創可貼實現手勢智能遙控機械設備的新型應用前景。尤其是,這種智能器件還可以實現創傷患者恢復健康的全新的智能手段,對未來便攜式智能醫療產品的研發推廣具有令人振奮的廣闊的發展前景。 圖5. 將智能創可貼用于人機交互的圖示。 論文鏈接: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106840
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人體監測圖1
一種基于隔熱紡織品(TI-textile)的TENG (TI-TENG)
來源 | Nano Energy 00 背景介紹 戶外活動對人體健康至關重要,給人類的身心帶來諸多益處。一般來說,戶外運動愛好者在進行長期徒步旅行或其他體育活動時需要注意各種天氣問題(如雪、雨和風)。極端天氣條件很容易導致身體不適,體溫下降等問題。由于大多數電子可穿戴設備是由傳統電池供電的,它們不具有可持續性,并且不方便在戶外充電/維護。開發具有自供電傳感器的戶外可穿戴設備對于解決廢棄電池的不可持續性和潛在的環境污染問題非常重要。 在物聯網時代,摩擦納米發電機(TENG)將周圍隨機、無序、低頻的機械能轉化為電能,被認為是解決能源供應問題的極具前景的技術一些極端情況或環境中的問題。在TENG的輔助下,自供電的戶外可穿戴監控系統可以實現并易于使用,這對于戶外愛好者從事長期徒步旅行或體育活動是非常必要的。在過去的幾年里,科學家們一直在努力提高TENG的輸出性能。 在已報道的可穿戴式TENG中,紡織式TENG可方便地用于人體運動監測和供電,其靈活性、適用性、透氣性、可負擔性和可規模化生產等優點越來越受到人們的關注。戶外服裝可以保護人體抵御寒風,但它們的重量和厚度通常會導致長時間戶外活動不舒服。因此,在降低功能性戶外服裝的重量/厚度的同時,提高其保溫性能是十分重要的。到目前為止,關于這一點的功能性戶外服裝的研究還很缺乏,特別是結合紡織品TENG的具有能量收集能力和交互性應用的智能戶外服裝。
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蘇州大學孫旭輝團隊:基于褶皺狀導電高分子電極的透明可拉伸摩擦納米發電機
因此,基于其優異的電輸出,該研究團隊將此器件用于收集人體運動(如手的拍擊、人體行走等)所產生的機械能。通過一定的電路設計,WP-TENG產生的交流電可以在整流之后存儲于商業電容器中,實現直流電流驅動可穿戴電子設備(便攜式電子表)。 圖a為輸出電壓峰值和接觸壓強之間的關系,圖b為一個手指尖不斷增大壓強來按壓1像素的傳感陣列輸出電壓,圖c為3×3像素的觸覺傳感器實物圖,圖d為安裝在手臂肌肉上的自驅動運動傳感器用于檢測肌肉運動狀態及電輸出,圖e為固定在肘部的自驅動運動傳感器用于監測肘關節的彎曲振幅及電輸出,圖f為固定在肘部的自驅動傳感器用于檢測肘關節的彎曲頻率及電輸出。 同時,還可將該WP-TENG放置于人體皮膚表面作為曲面電子器件,用于觸覺及人體運動監測的自驅動傳感器。摩擦起電機制使得該WP-TENG在沒有外部電源的情況下可實現自驅動的觸覺傳感。在壓強范圍從2到60 kPa內,傳感器具有高靈敏度,并且本工作中組裝的3像素×3像素的觸覺傳感器陣列可用于映射記錄對象的觸摸位置或與傳感器接觸的物體的形狀。此外,它不僅可以記錄簡單的運動(如肌肉的起伏),也可以通過輸出電壓的峰值大小和峰的個數來判斷關節彎曲的頻率和角度。 這三個應用使得本工作提出的可拉伸透明WP-TENG在人機界面、柔性機器人、功能顯示、可穿戴電子、智能衣等領域均表現出良好的發展前景。 參考文獻: Z.Wen,* Y. Yang, N. Sun, G. Li, Y. Liu, C. Chen, J. Shi, L. Xie, H. Jiang, D.Bao, Q. Zhuo, and X.
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南開大學關英、張擁軍課題組:大分子交聯劑交聯的高強度、高回復性、抗凍、黏附水凝膠
利用這一凝膠可監測各種人體運動,不僅可監測手指、手腕、膝蓋彎曲這種較大的肢體運動,還可以監測呼吸、說話這種小的肌肉活動。 圖4. 水凝膠傳感器用于監測人體運動。 極性基團的引入也顯著地抑制了凝膠中水的冰點。例如A5N2MC1.5%的冰點低至約-50°C 。這樣的凝膠在?20℃下冷凍24小時后仍保持高度的柔韌性和可拉伸性,粘附性能也基本保持,這使得傳感器能夠在零下的溫度下仍可以有效工作。 圖5. 水凝膠的抗凍性。 總之以多功能MC為交聯劑,可合成同時具有高韌性、高回彈性、優異附著力和耐低溫性能的導電水凝膠。與BIS交聯凝膠相比,MC交聯水凝膠力學性能顯著改善,斷裂伸長率提高了12.4倍,拉伸強度提高了5.1倍,韌性提高了46倍。該水凝膠體系也具有很高的回彈性,回彈性高達~ 87.2%。大量黏附基團的引入也使凝膠的黏附性能顯著改善。與BIS交聯凝膠相比,MC交聯凝膠的粘附強度提高了9倍。同時大量羥基的引入也顯著降低了凝膠的冰點,因此表現出優異的抗凍性能。這一凝膠可望用于柔性可穿戴應變傳感器,用于人體運動的監測。 該研究工作發表在ACS Appl. Mater. Interfaces(DOI: 10.1021/acsami.1c12687)上,論文第一作者是南開大學化學學院博士研究生劉瑞,通訊作者為張擁軍教授和關英副教授。 論文鏈接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c12687
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廣西大學徐傳輝教授課題組《Adv. Mater.》:高性能橡膠基柔性可穿戴多功能傳感器
近年來,柔性可穿戴功能傳感器的迅速發展改變了傳統的醫療診斷模式,賦予其可穿戴、舒適、遠程操作、及時反饋等綜合特性,推動了可穿戴人體活動監測和個人健康管理的出現。在眾多可穿戴傳感器的應用中,應變傳感和溫度傳感是重要的研究方向。應變響應的高靈敏度是準確檢測人體引起的細微運動(例如脈搏和心跳)到關節、肌肉大尺度動作的關鍵。同時,實時且連續的皮膚溫度監測對于預測人體和熱環境的認知狀態以及疾病的早期診斷至關重要。一般來說,為了滿足全人體運動檢測和實時溫度變化監測的基本要求,傳感器不僅要具備寬廣的響應范圍和全工作范圍內的高靈敏度,還必須具備較高的電阻溫度系數和溫度分辨力。然而,目前大多數可穿戴傳感材料的實際應用普遍受限于柔性拉伸、靈敏度與力學強度不理想,導電率較低、熱敏性差以及感官功能單一等問題。 近期,廣西大學徐傳輝教授課題組設計了一種以橡膠為基材,具有高靈敏度、低檢測限、高溫度系數和高力學強度的多功能柔性傳感器材料。該橡膠復合材料由羧基丁苯橡膠(XSBR)與天然高分子絲膠(SS)非共價鍵修飾的碳納米管(CNTs)通過加工手段調控膠乳復合成膜制備(如圖1)。 圖1 XSBR/SSCNT傳感器的制備與形貌表征 其中SS來源蠶絲屬可再生資源,能夠提高碳納米管在橡膠基體中的分散性,而不會對CNTs造成任何化學破壞。由此制備的XSBR/SSCNT傳感器能夠檢測細微和大的變形,具有217%伸長率、12.58 MPa拉伸強度、25.98 高靈敏度(即應變系數)、1% 應變低檢測限,0.071 S/m高電導率和 0.504 wt%滲透閾值(如圖2)。
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中科院深圳先進院在壓力傳感器領域獲新進展
微結構壓力傳感器傳感特性:(a-b)制備的壓力傳感器具備良好的機械柔韌性 (c-d)不同微結構的壓力傳感器傳感特性,其中“粗糙-粗糙”型傳感器具備超高的靈敏度及最寬的動態范圍(e)“粗糙-粗糙”型壓力傳感器具備良好的穩定性(f)“粗糙-粗糙”型壓力傳感器的響應和恢復時間 柔性可穿戴壓力傳感器在電子皮膚,醫療監測、智能機器人等方面應用廣泛。完美的可穿戴壓力傳感器應該具備高靈敏度、量程范圍大、低檢測極限的傳感系統。然而目前傳統的壓力傳感器無法同時滿足這些要求。對此,楊春雷課題組通過接觸點調制技術,利用柔性聚酰亞胺薄膜/粗糙叉狀電極/聚二甲基硅氧烷薄膜微結構制備了高性能的柔性可穿戴壓力傳感器,該傳感器靈敏度在0-2.5 kPa范圍可達259.32 kPa-1,最大測量范圍達到54 kPa,響應時間約200 μs。在健康監控方面,該壓力傳感器可實現對人體脈搏的監測;在智能機器人方面,課題組制備的壓力傳感器/機器人系統可以感知外界輕微的壓力并做出迅速的動作反射。該成果為高性能壓力傳感器的制備提供了一種有效的技術方案,并且有望促進壓力傳感器在生物醫學,健康監測和人工智能等方向的實際應用。 圖2. “粗糙-粗糙”型傳感器應用:(a-b)傳感器用于檢測微弱壓力(米粒),檢測極限可以達到0.36 Pa (c-d) 傳感器用于健康監控:實時監測人體脈搏(e-f)傳感器用于智能機器人:實時監測懸掛乒乓球的輕微擺動 該研究目前得到國家自然科學基金委以及深圳市基礎研究等項目的資助支持。 全文鏈接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b20284 來源:深圳先進院
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杭師大朱雨田教授團隊《Chem. Eng. J》:具有溫度和應變傳感功能的柔性高透明離子凝膠
仿皮膚型傳感材料在人體運動監測、醫療健康管理和人機交互等領域具有廣泛的應用潛力。近年來,基于離子型的傳感材料(比如離子導電的水凝膠和離子凝膠),因具有高拉伸性,靈敏度和透明性而備受關注。然而離子導電的水凝膠材料的環境穩定性較差,傳感性能隨所得水凝膠的脫水而降低。 近期,朱雨田教授課題組選用離子液體(IL)作為導電組分,和熱塑性聚氨酯(TPU)復合,得到具有應變和溫度敏感特性的柔性、透明和抗菌的多功能離子凝膠型傳感器(圖1)。作為應變傳感材料時,離子凝膠材料具有較寬的應變響應范圍(0.1-500%)和快速的響應時間(96 ms)和回復時間(119 ms);在拉伸應變50%條件下經過1000次加載/卸載循環后,表現出優異的重復性和穩定性(圖2)。作為溫度傳感材料時,離子凝膠的溫度檢測精度低至0.1 oC,溫度檢測范圍在-40-100 oC,具有優異的抗凍性和耐高溫性,并在拉伸狀態下仍能保持優異的溫度敏感行為(圖3)。基于離子凝膠優異的應變和溫度傳感性能,一方面,該傳感材料可用于監測人體微妙運動(例如,臉頰凸起和說話)和大幅度運動(例如,手指和手腕的彎曲);另一方面,還可以監測各種溫度變化信號(例如,手機充電引起的溫度變化)(圖4)。同時,這種基于離子凝膠的傳感材料具有明顯的抗菌能力和良好的生物相容性。相關論文以“Flexible, Transparent, and Antibacterial Ionogels toward Highly Sensitive Strain and Temperature Sensors”為題,發表在《Chemical Engineering Journal》上。 圖1.
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東華大學侯愷/朱美芳院士《JMCA》異構/堅韌/穩定/導電/凝膠纖維基可穿戴應變傳感器
此外,這種混合凝膠纖維允許整合到傳統的織物中,以在多種環境中(在空氣/潮濕條件下或在水下)快速而靈敏地監測人類的運動和生理信號。人們相信,這種混合凝膠纖維將為設計和制造用于健康監測,創新電子技術和人機交互的可穿戴式和植入式傳感器創造新的機會。 相關論文以題為 Heterogeneous structured tough conductive gel fibres for stable and high-performance wearable strain sensors 發表在《 Journal of Materials Chemistry A 》上。 【主圖導讀】 圖 1. PANI/PMON雜化凝膠纖維的制備。 圖 2 . 凝膠纖維的結構和組成表征。 圖 3. PANI/PMON雜化凝膠纖維的機械性能。 圖 4. PANI-6/PMON混合凝膠纖維的機械-電氣響應。 圖 5:PANI-6/PMON混合凝膠纖維集成織物用于監測人體運動和壓力感應的柔性陣列傳感器的實時相對電阻變化。 圖 6 . 在液體環境中對PANI-6/PMON雜化凝膠纖維的機械感測。 【總結】 團隊提出了具有異質網絡的強韌導電性 PANI/PMON雜化凝膠纖維,以實現感覺功能。得益于多分子相互作用以及協同的疏水性和親水性網絡結構,此類混合凝膠纖維具有機械耐久性,液體環境穩定性和寬應變響應性能,然后可以有效且協同地集成到基于凝膠纖維的柔性可穿戴傳感器中。
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人體監測圖2
鄭大代坤教授/劉春太教授與納米能源所潘曹峰研究員《Adv. Mater.》:仿生多功能光電傳感材料-用于健康檢測和自供能傳感
柔性多功能光-電傳感材料在可視化傳感、健康監測和自供電傳感中的應用 如圖5,材料在可穿戴領域展示出廣泛的應用前景,不僅可以準確地監測人體不同部位的脈搏,還可以從已得的脈搏信號中獲取并分析生理參數對人體進行健康監測及評估。此外,電子皮膚通過明顯的熒光分布以及同步且準確的彎曲傳感行為,可以清晰地分辨出手指的彎曲角度及不同手勢,實現其在可視化傳感方面的應用。單電極模式的TENG(S-TENG)在0-5 kPa的小壓力范圍內具有較高的靈敏度(3.443 mV Pa-1),可以有效收集生物機械能和感知觸覺刺激。通過集成多個S-TENG傳感單元制備S-TENG傳感陣列,成功地將手指觸摸的軌跡映射在二維區域,實現其在自供能傳感方面的應用。 這一研究成果表明基于高分子基體的加工及仿生結構的構建可有效提升柔性傳感材料的敏感性能。材料實現的應變傳感、可視化傳感及自供能傳感的有效結合為新一代交互式多功能柔性電子的制備其在可穿戴領域的多功能應用提供了新思路。 相關研究以“Bioinspired Multifunctional Photonic-Electronic Smart Skin for Ultrasensitive Health Monitoring, for Visual and Self-Powered Sensing”為題發表在《Advanced Materials》上。鄭州大學為第一作者單位,碩士研究生趙祎為論文第一作者,代坤教授、劉春太教授和中科院北京納米能源與系統研究所潘曹峰研究員為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金項目、國家自然科學基金-河南聯合基金、河南省優秀青年科學基金等項目的資助。
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柔性曲率傳感器研究取得重要進展
人體運動監測方面,人體表面主要變形模式為拉/壓變形和彎曲變形,而且都是大變形。對于適用于柔性可穿戴設備的監測拉/壓變形的柔性傳感器,已經有很多相關研究;但對于彎曲變形(曲率或彎曲角度)監測,之前主要有兩類方法:1)采用應變傳感器替代,如圖1a所示,這種方式要求傳感器與人體完美粘合,一旦產生滑動,測量結果毫無意義,而這種粘合方式對于用戶來說是難以接受的,所以不適用于實際的可穿戴設備;2)采用光學辦法,設備復雜,不具有便攜性,也不適用于可穿戴設備。   圖1. (a)應變傳感器與(b)曲率傳感器用于關節彎曲變形監測的優劣勢 近日,中科院力學所科研團隊與大連理工大學及北京航空航天大學合作,從力學結構設計出發,研制了適用于可穿戴設備的薄膜貼片式柔性曲率傳感器。該傳感器可以精確測量被測曲面的動態彎曲曲率和彎曲角度,而且其彎曲測量結果不受拉伸變形的影響,所以在實際應用過程中,不要求傳感器與被測曲面完美粘合,只需要貼合(允許小范圍滑動,如戴手套或穿緊身衣的方式)即可,如圖1b所示。可見,該傳感器非常適合與穿戴服飾集成,可應用于關節彎曲監測、手勢識別、坐姿監測等柔性智能穿戴設備,如圖2所示。   圖2. 曲率傳感器用于手勢識別和坐姿監測   該工作相關論文近日在Advanced Materials Technologies上發表(Adhesion-Free Thin-Film-Like Curvature Sensors Integrated on Flexible and Wearable Electronics for Monitoring Bending of Joints and Various Body Gestures.
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南開大學富勒烯降低內摩擦——高性能0D-1D-2D三元納米復合材料應變傳感器
其中,在拉伸時將機械變形信號轉換為電阻變化輸出的電阻型應變傳感器在人體運動檢測,人體健康監測,柔性機器人等新興應用領域中具有重大的應用前景。在實際應用中,應變傳感器需要滿足一系列的綜合傳感性能,包括高靈敏度,大拉伸形變,良好的線性度,長期耐用性,優良的重復性,低滯后性,以及制備工藝簡單等。然而,由于傳感材料的結構限制,使傳感器同時達到高靈敏度(應變系數gauge factor>100)和大的拉伸形變(工作應變范圍>50%)仍然很困難,這也大大限制了應變傳感器的開發與實際應用。 【成果簡介】 近日,南開大學材料學院的梁嘉杰教授(通訊作者)團隊報道了利用零維的富勒烯降低材料內部摩擦以構造高性能0D-1D-2D三元納米復合材料應變傳感器的研究工作。該研究發表于Advanced Functional Materials,題為“Lowering Internal Friction of 0D–1D–2D Ternary Nanocomposite-Based Strain Sensor by Fullerene to Boost the Sensing Performance”。該報道通過一步式絲網印刷工藝,構建了一種新型的基于0D-1D-2D三元納米復合材料的應變傳感器。該傳感器在寬應變范圍下具有高靈敏度,低滯后性,良好的線性和重復性,其在62%應變下應變因子GF可以達到2392.9。這些優異的感應器器件性能主要是通過0D,1D,2D三元納米功能材料組分間的協同效應引起的。其中,一維銀納米線提供高導電性以降低器件電阻,二維氧化石墨烯提供脆性以及可滑移的層狀結構,而零維的富勒烯則提供潤滑性。富勒烯降低了氧化石墨烯的層間摩擦,在不損害納米復合材料膜的脆性的前提下促進了相鄰層間的滑動。
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Nature子刊:可拉伸擴展的多功能集成電子皮膚!
該研究將有助于開發新型人機接口、智能機器人、仿生假肢等智能化系統,多功能集成電子皮膚還可同步監測周邊環境多種變量,用于人體健康監測等領域。相關研究成果發表在《自然-通訊》上。    論文鏈接: https://www.nature.com/articles/s41467-017-02685-9 — END —