基於金屬性“三明治”結構氣凝膠的人機操控柔性電子傳感器件

一、研究背景:

近年來,可穿戴柔性應變傳感器在人機操控、柔性機器人和智能醫療等領域展示出巨大的優勢和應用前景。然而,目前應用於電阻型應變傳感器的無機納米材料面臨著靈敏度較低、結構單一、制備復雜、成本較高等問題,這對可穿戴柔性傳感器件的進一步發展提出瞭新的挑戰。此外,基於可穿戴柔性傳感器的人機操控和人體微弱信號探測目前還有待進一步研究和發展。

二、文章簡介:

針對以上問題,西北工業大學和南京工業大學黃維院士朱紀欣教授(共同通訊作者)通過一種高效、安全、低成本的合成方法,實現瞭高性能金屬性VN/CNTs氣凝膠混合物的合成,相關成果發表在Nano Letters,第一作者為博士研究生張洪健。作者們制備得到瞭具備特殊的類毛刷三明治納米結構和優異電學性能的VN/CNTs納米材料,並將其與PDMS柔性基底相結合設計成適用於微小應變的高靈敏度、高耐久度和高響應速度的柔性應變傳感器,並成功應用於實時的人機操控系統和多種人體物理信號的探測。

基於金屬性“三明治”結構氣凝膠的人機操控柔性電子傳感器件
圖1. VN/CNTs的理論設計和合成原理。(a-b)基於第一性原理計算的結構和性能設計。(c-d)材料晶體結構及合成原理示意圖。

三、文章內容:

1、材料設計與“一步氮化和碳化”合成策略

首先通過第一性原理計算方法,對VN/CNTs的結構和電學性能進行瞭預測。結果表明CNT更傾向於垂直於VN納米片表面生長並形成有序的三維網絡結構,這種獨特的結構擁有良好的電導率和VN-CNT界面的電子傳輸特性。實驗通過凍幹法和熱處理法合成由垂直CNT陣列修飾的VN納米片。合成方法簡單、安全,所合成的材料具有新穎的陣列結構以及良好的純度和結晶性。

基於金屬性“三明治”結構氣凝膠的人機操控柔性電子傳感器件
圖2. 材料形貌和結構表征。(a-c)V2O5·nH2O和VN/CNTs的形貌圖。(d-i)VN和N-CNT的形貌、結構和元素分析。

2、器件制備與優異的傳感性能

采用簡便的刮塗法和轉移法,實現納米敏感材料與柔性基底的牢固結合,從而制備高性能柔性應變傳感器。該材料具有獨特的類毛刷三明治堆疊結構,使器件在微小應變下可以通過VN/CNTs納米結構之間的滑移與斷開,從而引起器件電阻的明顯變化。傳感器在小應變下(<10%)表現出優異的探測靈敏度(GF = 386),良好的響應速度和耐久度。

基於金屬性“三明治”結構氣凝膠的人機操控柔性電子傳感器件
圖3. (a)柔性傳感器的制備方法。(b-c)柔性傳感器工作示意圖。(d-h)柔性傳感器的性能表征。

3、器件在人機操控系統中的應用

利用所制備的柔性傳感器對人體關節運動的傳感特性,設計瞭基於VN/CNTs柔性傳感器的實時人機操控系統,成功地實現人手對機械手運動的同步控制。

基於金屬性“三明治”結構氣凝膠的人機操控柔性電子傳感器件
圖4. 基於VN/CNTs柔性應變傳感器的實時人機操控系統。(a)手指彎曲信號。(b-d)人機操控系統的電路圖和實時控制演示圖。

4、人體微弱信號監測與可穿戴舒適性評估

將所制備的柔性傳感器成功地應用於對人體微弱信號的探測,如聲音識別(不同單詞、不同重音識別)、脈搏監測(不同性別、不同生理狀態識別)及呼吸頻率監測(深呼吸、正常呼吸、急促呼吸)等。此外,對柔性傳感器的可穿戴舒適性進行瞭評估,如皮膚貼合性、散熱性等。

基於金屬性“三明治”結構氣凝膠的人機操控柔性電子傳感器件
圖5. VN/CNTs柔性應變傳感器對人體微弱信號的探測。(a-c)聲音識別。(d-e)脈搏監測。(f)呼吸監測。(g-h)器件良好的可穿戴性、舒適性和散熱性展示。

四、總結與展望:

作者采用一種新穎而簡便的原位催化合成方法,合成瞭具有三維導電網絡的VN/CNTs氣凝膠混合材料。其中,所合成的VN/CNTs具有獨特的三明治結構,顯著提高瞭電導率,可適用於應變傳感器的導電材料。同時,作者使用微圖案模板的簡便方法研制瞭基於VN/CNTs的高靈敏度柔性應變傳感器。基於以上優點,在VN納米片上排列的重疊CNT陣列的滑動和分離,在10%的小應變下顯示出386的高應變系數,以及顯示出快速響應和出色的耐久性(1000次循環)等優點。而且,該傳感器在檢測身體移動、聲音和醫療信號方面表現突出,並成功地將所制備的傳感器應用於機器人手實時操控系統中,在人機交互的商業化方面顯示出巨大的潛力。

五、致謝:

感謝國傢自然科學基金(51872139)、江蘇省自然科學基金會(BK20170045)、海外高層次人才引進計劃(千人計劃1211019)、江蘇省六大人才高峰項目(XCL-043)、陜西省自然科學基礎研究計劃(2019JLM-28)和中央高校基本科研業務費專項資金的資助。

參考文獻:

Hongjian Zhang, Wenqi Han, Kui Xu, Yu Zhang, Yufei Lu, Zhentao Nie, Yuhang Du, Jixin Zhu*, Wei Huang*, Metallic Sandwiched-Aerogel Hybrids Enabling Flexible and Stretchable Intelligent Sensor,Nano Letters, doi: 10.1021/acs.nanolett.0c00372.

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