發(fā)布日期：2018-08-17
柔性傳感器技術(shù)是極具挑戰(zhàn)和潛力的發(fā)展方向，在人工智能、醫(yī)療健康等領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。隨著人機(jī)交互、運(yùn)動健康監(jiān)控等細(xì)分領(lǐng)域的快速發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)品對傳感器提出了更高的要求，迫切需要具有柔韌、可彎曲、可拉伸、可回復(fù)特性的彈性傳感技術(shù)，以滿足人體穿戴舒適性的需求。研究人員依托中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所、中科院磁性材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，針對上述需求，聚焦信息感知關(guān)鍵彈性傳感器和信息傳輸關(guān)鍵彈性導(dǎo)體的研發(fā)。
1、發(fā)展兼容高電導(dǎo)率和拉伸穩(wěn)定性的彈性導(dǎo)體
復(fù)合型導(dǎo)高分子是在高分子基體中填加導(dǎo)電性物質(zhì)(碳黑、碳納米管、石墨烯、金屬粉、金屬納米線和納米片等)，通過分散復(fù)合、層積復(fù)合等方式得到的。由于它保持了高分子材料優(yōu)異的柔彈性，是目前柔性電子元器件最為理想的電極材料。但由于導(dǎo)電填料為固體，與基體的彈性模量相差很大(3～7 個量級)，拉伸時導(dǎo)電填料的間距會發(fā)生變化，造成電極的電阻率明顯變化，影響器件性能。為了解決該問題，研究團(tuán)隊(duì)采用易形變且導(dǎo)電性好的液態(tài)金屬鎵銦錫(Galinstan)作為導(dǎo)電填料，與PDMS分散復(fù)合制備了彈性電極。該電極不僅具有良好的導(dǎo)電性()和大的拉伸極限(～116.86%)，更為重要的是，該電極具有極其穩(wěn)定的機(jī)械性能，拉伸100%時電阻的相對變化率僅為4.305%，其指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
2、發(fā)展彈性肌電傳感器
表面肌電信號(SEMG)是一種伴隨肌肉活動出現(xiàn)的微弱生物電信號，在臨床醫(yī)學(xué)、人機(jī)功效學(xué)、康復(fù)醫(yī)學(xué)以及體育科學(xué)等方面均有重要的實(shí)用價(jià)值。SEMG在測量上具有非侵入性、無創(chuàng)傷、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，但信號易受電極影響，因此選擇合適的電極顯得尤為重要。目前，商業(yè)化的肌電電極主要為凝膠電極和金屬電極。凝膠電極與皮膚貼合性好，但凝膠中的水分易揮發(fā)，時間穩(wěn)定性差，且易造成皮膚過敏，不能重復(fù)使用；金屬電極導(dǎo)電性好，但與皮膚的貼合性差，大幅度運(yùn)動易滑動，導(dǎo)致信號的動態(tài)穩(wěn)定性較差，且易擦傷皮膚。研究人員利用研發(fā)的三層結(jié)構(gòu)超薄彈性電極作為肌電電極，該電極的阻抗在工作頻率范圍內(nèi)(20～400Hz)與凝膠電極和金屬電極相當(dāng)，但又克服了凝膠電極時間穩(wěn)定性差，以及金屬電極動態(tài)穩(wěn)定性較差的難題。將三層結(jié)構(gòu)的彈性電極用于測量腿部腓腸肌外側(cè)頭肌肉走動時的信號，并與傳統(tǒng)銅電極進(jìn)行對比，可以明顯看出，采用三層結(jié)構(gòu)超薄彈性電極測得的肌電信號強(qiáng)了約一個數(shù)量級，顯示出了較廣闊的應(yīng)用前景。
3、發(fā)展柔性/彈性電路、高精度和可拉伸的應(yīng)變傳感器
基于液態(tài)金屬導(dǎo)線，研究人員發(fā)展了可回收紙基柔性電路，其電導(dǎo)率達(dá)10000S/cm，彎折循環(huán)大于1萬次，復(fù)合熱導(dǎo)率是紙的2-3倍，提升了散熱性能，回收率達(dá)90%每分鐘，進(jìn)一步發(fā)展了紙基LED顯示等演示電路?；趶椥詫?dǎo)體，發(fā)展了彈性耳機(jī)線、彈性充電線等。
利用高靈敏的巨磁阻抗效應(yīng)，研究人員采用LC振蕩電路結(jié)構(gòu)，獲得了具有數(shù)字式脈沖輸出的高靈敏柔性壓力傳感器，探測極限10μN，可以感知螞蟻的爬行；首次在低壓力探測范圍同時實(shí)現(xiàn)了微應(yīng)力感知與數(shù)字信號輸出；發(fā)展了兼容高精度和拉伸性的彈性應(yīng)力傳感器，其拉伸范圍大于100%，探測精度～0.05%，且具有優(yōu)異的回復(fù)特性。
4、發(fā)展人機(jī)交互用的運(yùn)動監(jiān)控演示產(chǎn)品
研究人員發(fā)展了智能手套，用于手勢的識別，并實(shí)現(xiàn)了手勢對機(jī)械手的遠(yuǎn)程操控；發(fā)展了用于膝關(guān)節(jié)運(yùn)動監(jiān)控的智能護(hù)膝，實(shí)現(xiàn)了跑步、登山等動作下關(guān)節(jié)運(yùn)動的監(jiān)控。
研究人員在材料、器件、方法、設(shè)備上進(jìn)行了專利布局，已經(jīng)申請專利30項(xiàng)(詳情參見專利推介部分)，其中發(fā)明專利23項(xiàng)，已授權(quán)14項(xiàng)，實(shí)用新型專利授權(quán)7項(xiàng)。獲得寧波鄞州精英引領(lǐng)計(jì)劃支持以及寧波鎮(zhèn)海-中科院青促會創(chuàng)業(yè)大賽一等獎等榮譽(yù)。
圖1 可拉伸導(dǎo)線
圖2 可拉伸肌電傳感器
圖3 紙基可回收電路
圖4 智能護(hù)膝演示
來源：寧波材料技術(shù)與工程研究所
