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成果簡(jiǎn)介

柔性傳感器因其在人類活動(dòng)監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷和人機(jī)交互中的重要應(yīng)用而受到越來(lái)越多的關(guān)注。然而，合理設(shè)計(jì)具有理想性能（例如，高靈敏度和穩(wěn)定性）和擴(kuò)展應(yīng)用的低成本傳感器仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。本文，南京工業(yè)大學(xué)林惠娟副研究員、朱紀(jì)欣課題組在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊發(fā)表名為“Piezoresistive Pressure Sensor Based on a Conductive 3D Sponge Network for Motion Sensing and Human–Machine Interface”的論文，研究提出一種簡(jiǎn)單且具有成本效益的策略，通過(guò)將聚氨酯（PU）海綿浸入氧化石墨烯溶液中，然后原位化學(xué)還原以構(gòu)建還原氧化石墨烯（RGO）包裹的PU海綿傳感器。

由于PU海綿和導(dǎo)電RGO層具有優(yōu)異的抗壓彈性，所構(gòu)建的柔性傳感器具有令人滿意的高靈敏度（17.65 kPa–1）在低負(fù)載范圍（0–3.2 kPa）、寬壓縮應(yīng)變范圍（0–80%）和可靠的穩(wěn)定性（8000 次循環(huán)）中。此外，這些傳感器可以成功地應(yīng)用于監(jiān)控人體運(yùn)動(dòng)和識(shí)別物體的重量。通過(guò)使用集成了信號(hào)采集電路的傳感器陣列，合理設(shè)計(jì)的傳感器可以在復(fù)雜任務(wù)中通過(guò)映射壓力的實(shí)時(shí)空間分布來(lái)實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)反饋，并顯示出在柔性電子鋼琴、電子皮膚和家用電子產(chǎn)品遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制方面的潛在應(yīng)用。

圖文導(dǎo)讀

圖1. (a) RGO@PU海綿傳感器的制備示意圖。(b,c)原始PU海綿和(d,e)RGO@PU海綿的SEM表面形貌圖像。(f) RGO@PU海綿在不同變形狀態(tài)下的照片。(g) 照片顯示RGO@PU海綿很容易被切割成不同形狀的標(biāo)本。(h) RGO@PU海綿放在綠葉上。

圖2. RGO@PU海綿在不同狀態(tài)下的數(shù)碼照片

圖3. (a) RGO@PU海綿傳感器的相對(duì)電阻隨1mg mL-1 GO濃度的變化。

(b) 1mg mL-1 GO濃度的RGO@PU海綿傳感器在不同壓力下的靈敏度值。

(c) RGO@PU海綿傳感器的傳感機(jī)制的示意圖。

(d) 在不同應(yīng)變下測(cè)量的RGO@PU海綿傳感器的I-V曲線。

(e) RGO@PU海綿在頻率為0.1Hz的各種循環(huán)壓力值下的相對(duì)電阻變化。

(f) 在不同頻率（0.05，0.1和0.2Hz）下，相對(duì)電阻變化與50%的應(yīng)變的關(guān)系。

(g) RGO@PU海綿在壓縮應(yīng)變?yōu)?0%，變形率為56mm/分鐘，8000次循環(huán)下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試。

圖4. RGO@PU海綿傳感器在人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的各種應(yīng)變中的應(yīng)用

圖5.（a） 手指按壓過(guò)程中RGO@PU海綿傳感器的相對(duì)電阻變化。

（b） 包含海綿傳感器、電阻器、蜂鳴器和MCU RGO@PU信號(hào)電路的示意圖。

（c） 制作柔性音樂(lè)鋼琴鍵盤的照片。

（d，e）具有 4 × 4 像素和 3D 壓力分布以及每個(gè)像素的相應(yīng)信號(hào)的傳感器陣列的照片。

（f，g）通過(guò)重量加壓施加的三個(gè)“點(diǎn)”壓力及其相應(yīng)的信號(hào)

（h） 通過(guò)傳感器控制家用電子產(chǎn)品的原理圖電路。

（i，j）觸覺(jué)信號(hào)通過(guò)無(wú)線藍(lán)牙控制模塊打開和關(guān)閉家用電子產(chǎn)品（蜂鳴器、燈和風(fēng)扇）。

小結(jié)

綜上所述，壓阻式傳感器由高彈性3D多孔PU海綿組裝而成，該海綿包裹有導(dǎo)電RGO層，在壓縮過(guò)程中提供導(dǎo)電路徑。當(dāng)受到外部刺激時(shí)，導(dǎo)電RGO層中的微裂紋、變形和海綿骨架的接觸會(huì)導(dǎo)致電阻變化，使海綿傳感器具有更高的靈敏度（17.65 kPa–1）和長(zhǎng)期耐用性（8000 次循環(huán)）。此后，傳感器可用于準(zhǔn)確檢測(cè)有規(guī)律的人體運(yùn)動(dòng)（例如，手指彎曲、手腕彎曲），或識(shí)別具有不同輸出電信號(hào)的各種重量的物體。此外，集成傳感器陣列和信號(hào)采集電路應(yīng)用于柔性電子鋼琴制造、電子皮膚以及通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制家用電子產(chǎn)品，為柔性電子在智能應(yīng)用場(chǎng)景中提供了可行的嘗試。

文獻(xiàn)：

https://doi.org/10.1021/acsami.2c18203