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澳门大学研发出自供电可穿戴仿生触觉传感器

更新时间:2021-06-24 09:41:09人气:55

澳门大学应用物理及材料工程研究院助理教授周冰朴的研究团队设计出一种新颖的复合介电体,实现了穿戴式柔性电容式触觉传感器的高灵敏度和超宽线性范围的同步优化。该器件在无外部供电的状态下亦能够正常运作,可以应用于健康监测、人机交互及智能控制等不同领域。该研究成果已获国际顶级学术期刊《先进材料》(Advanced Materials)发表。

  近年来,柔性可穿戴传感器件因其在健康医疗、电子皮肤及智能交互等诸多领域的潜在应用而吸引了广泛的关注。传统的电容式柔性触觉传感器因介电层的非线性介电行为和机械变形的限制,其有效工作范围往往局限于10~100 kPa量级,且难以在检测灵敏度和线性范围等关键参数进行有效的同步优化,成为制约其进一步面向实际应用的重要原因之一。宽线性范围及高灵敏度的共存,能够确保器件在不同压力范围均保持出色的检测性能,既有利于在不同场景下的应用拓展,亦简化了后续电信号的提取及分析。

  受人体皮肤结构的启发,研究团队设计出一种由低介电的微纤毛阵列和高介电的粗糙表面及微穹顶阵列构成的复合介电体。该复合介电体具有梯度式的介电特性和可压缩性,能够在不同压力作用下实现低、高介电组分的串并联转换,以满足介电性能和机械性能随压力的线性变化,从而实现了电容式传感器件在高达1000 kPa的超宽范围内维持线性工作及稳定的灵敏度。该复合介电体同样适用于摩擦发电式触觉传感器,其线性介电行为以及复合结构既可实现等效面电荷密度随压力的线性变化,又可增强接触起电及静电感应。因此,该传感器亦可作为一种自供电检测设备,在同样高达1000 kPa的超宽压力范围内,有效地将外力刺激线性地转换为电压信号,对人体的健康特征及体动等进行实时的监测。

  

  基于同步实现的高灵敏度和超宽线性范围,传感器可在很宽的压力范围内维持对压力的高分辨率。因此,传感器件不仅可以感知不同应用场景中人体的生理信号(如脉搏、呼吸),用于健康监测,还可组合施加的外力,将电容或电压信号编码为控制指令,用于人机交互及智能控制。由于控制指令的输出可完全由单个传感器件实现,避免了多传感元件集成化的需求以及复杂的信号处理和转换。该复合介电体的设计解决了传统介电体的介电行为和机械行为难以分别调控的问题,为高性能柔性触觉传感器的发展提供了新颖的策略。

  论文的第一作者为澳门大学应用物理及材料工程研究院博士生冀冰。此项研究由澳门特别行政区科学技术发展基金(文件编号:0037/2018/A1)及澳门大学(文件编号:MYRG2017-00089-FST, MYRG2018-00063-IAPME)资助。

  (《中国基建报》记者 区明玥 澳门报道)

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