近年來,,隨著重大疾病的流行與大眾健康觀念的提升,,可穿戴健康監(jiān)測逐漸興起,。人體皮膚應變是可穿戴健康監(jiān)測的一項重要指標,,可全方位反映人體健康信息。但由于人體不同部位的皮膚變形幅度差異較大(兩個數(shù)量級),,開發(fā)具有寬檢測范圍的廣域應變傳感器就變得尤為重要,。
西安交通大學仿生工程與生物力學研究所(BEBC)的研究人員圍繞柔性器件力學結構設計的思路,受到蛇體表交錯重疊,、可發(fā)生滑動以順應變形的鱗片啟發(fā),,開發(fā)了可延展的仿生疊覆鱗片結構。通常情況下,,剛性材料在變形下的斷裂破壞是柔性器件開發(fā)中需要極力規(guī)避的問題,,然而該鱗片結構卻“反其道而行”,通過變形下柔性基底上剛性薄膜的斷裂,、重疊形成,,利用相鄰疊覆鱗片之間的相對滑動順應外部變形,顯著降低剛性鱗片自身承受的應變,,從而提升結構的可延展性(超過100%應變),。
研究人員以導電聚合物PEDOT:PSS為例,利用變形下PEDOT:PSS鱗片滑移產(chǎn)生的總體電阻變化,,實現(xiàn)應變傳感,,且傳感器檢測范圍及靈敏度可通過改變基底預拉伸幅度靈活調控,,實現(xiàn)高靈敏度、寬范圍(1%~100%)應變傳感,,相較于已有研究成果,,應變傳感范圍顯著拓寬,進一步將傳感器貼附于人體表不同部位,,實現(xiàn)了對于人體正常生理活動(如脈搏、發(fā)聲,、吞咽,、面部表情、肢體運動等)產(chǎn)生的不同幅度皮膚應變的有效傳感,,展現(xiàn)了應用于可穿戴物理運動監(jiān)測,、心理狀態(tài)評估的潛力。
仿生疊覆鱗片結構廣域應變傳感器,。(A)蛇皮表面交錯重疊的鱗片,;(B)疊覆鱗片結構PEDOT:PSS變形機理;(C)疊覆鱗片結構PEDOT:PSS用于應變傳感:(D)所開發(fā)疊覆鱗片結構PEDOT:PSS在廣域傳感中的優(yōu)勢,;(E)傳感器結構,;(F)所開發(fā)傳感器用于可穿戴脈搏監(jiān)測(小應變);(G)所開發(fā)傳感器用于可穿戴肢體運動監(jiān)測(大應變),。
該研究成果以《面向可穿戴廣域應變傳感的仿生疊覆鱗片結構PEDOT:PSS》(Harnessing the wide-range strain sensitivity of bilayered PEDOT:PSS films for wearable health monitoring)為題發(fā)表于Cell姊妹刊物,、國際材料領域頂刊 Matter 上。論文第一作者為BEBC劉灝特聘研究員,,BEBC徐峰教授,、香港大學張世銘助理教授以及美國加州大學洛杉磯分校Ali Khademhosseini教授為共同通訊作者,西安交通大學為論文第一單位和通訊單位,。該研究成果是BEBC繼成功開發(fā)內嵌三維螺旋傳感結構(Small. 2018, 14, 1801711),、剛度空間調控水凝膠材料(Mater. Horiz. 2020, 7, 203-213)、室溫成型導電聚合物水凝膠材料(Adv. Mater. 2020, 32, 1904752),、環(huán)境適應型凝膠傳感器件(Small. 2021, 17, 2101151)之后,,在軟物質力學、智能柔性傳感領域取得的又一重要進展,。