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江漢大學吳鈺祥/湘雅醫院李宇晟/納米能源所李舟 AFM：自供能柔性傳感器陣列 - 動態壓力監測的新突破

2024-04-08 來源：高分子科技

在智能醫療健康領域，實時監測人體動態壓力變化一直是研究熱點。近期，江漢大學吳鈺祥教授、湘雅醫院李宇晟教授和中國科學院北京納米能源與系統研究所李舟研究員，成功開發出一種自供能、柔性、長期穩定的傳感器陣列，為動態壓力監測領域帶來了新的突破。該研究本報道了一種基于壓電聚合物的自供能、柔性、長期穩定的傳感器陣列，該傳感器陣列專為動態壓力監測而設計，通過熱壓法和直流濺射技術，研究人員成功制備了具有微腔結構的壓力傳感器。該傳感器展現出高靈敏度、快速響應和長期穩定性，能夠實時監測聲音振動、動脈脈搏、手指運動以及豬膝關節內的動態壓力變化。這一成果為醫療監測、人體運動跟蹤和機器人技術等領域提供了新的技術解決方案。

圖1 壓力傳感器的制造工藝和表征。a）壓力傳感器的制造流程圖。b）壓力傳感器的結構圖。c）壓力傳感器的尺寸。d）壓力傳感器的微腔結構。e）1 Hz頻率下傳感器電壓的輸出特性。 f）1 Hz頻率下傳感器電流的輸出特性。 g）1 Hz頻率下傳感器電荷的輸出特性。

圖2 壓力傳感器的模擬和響應。a）使用有限元模擬的傳感器原始狀態和按下狀態的電位分布。b）傳感器的響應時間。c）在相同的接觸面積和力下輸出不同的通道。

圖3 柔性壓力傳感器的性能表征。a）傳感器在不同負載下的電壓輸出。b）傳感器在不同負載下的壓力和電壓之間的關系。c）柔性壓力傳感器的最小檢測限。d）傳感器不同位置的壓電系數。e）不同時間傳感器壓電系數的平均值。f）在不同曲率的拱形結構的作用下，柔性壓力傳感器的輸出發生變化。g）柔性壓力傳感器抵抗串行干擾的能力。h）柔性壓力傳感器在4000次作用下電壓輸出的變化。數據以平均值±SEM表示。

圖4 柔性壓力傳感器在人體中的應用。a）監測聲音振動。b）監測橈動脈脈搏。c）監測手指屈曲和伸展。d）膝關節壓力概念圖的無線傳輸。e）膝關節模具上傳感器滾動過程中電壓的輸出表征。f）傳感器在膝關節模具上滾動過程中電流的輸出特性。g）傳感器在膝關節模具上滾動過程中的電荷輸出表征。

圖5 豬膝關節置換術期間的動態壓力監測。a）豬全膝關節置換術示意圖。b）動物實驗中的動態膝關節壓力監測系統。c）豬不同關節角度下膝關節的壓力分布。

打破傳統：自供能技術的創新應用

隨著物聯網(IoT)和人工智能(AI)的快速發展，對高性能傳感器的需求日益增長，尤其是在需要精確監測壓力變化的領域，如電子皮膚、智能機器人、人工假肢和可穿戴電子設備等。傳統的壓力傳感器往往依賴外部電源，限制了其在移動和遠程監測中的應用。因此，開發一種自供能、柔性且穩定的傳感器陣列對于實現無線、實時的壓力監測具有重要意義。這項技術的核心在于自供能。傳統的傳感器需要外部電源來運行，而這種新型傳感器陣列利用壓電聚合物的特性，通過機械壓力的變化產生電能，從而實現自我供能。這一創新不僅提高了傳感器的靈活性和便攜性，還為長時間、連續監測提供了可能。此外，考慮到傳感器在各種應用場景中的適應性，研究團隊還重點關注了傳感器的柔性和長期穩定性。
相關研究成果以“Self-Powered Flexible Sensor Array for Dynamic Pressure Monitoring”為題發表在《Advanced Functional Materials》上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202316712

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（責任編輯：xu）

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