具有廣泛應變靈敏度的可穿戴傳感器

(洛杉磯)——人類的許多身體機能都通過皮膚的機械變形表現出來——從肌肉和關節(jié)的拉伸、彎曲和運動到手腕脈搏的顫動。這些機械變化可以通過測量全身不同部位的不同應變水平來檢測和監(jiān)測。

近年來，很多注意力都集中在可穿戴傳感器上，以測量這些應變以用于個人健康監(jiān)測。其中一些傳感器可以檢測高級 (40-100%) 應變，例如與手指和四肢關節(jié)運動相關的應變，其他傳感器可以檢測中級 (10-40%) 應變，如吞咽和面部運動還有一些對手腕脈搏和聲帶振動中觀察到的低水平 (<1%-10%) 應變敏感。

由于其最高水平的導電性和穩(wěn)定性，這些類型的傳感器非常受歡迎的材料是 PEDOT:PSS 或聚(3,4-亞乙基二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸鹽。以前，已經開發(fā)出非常靈敏的 PEDOT:PSS 應變傳感器，可以檢測來自非常微小的運動 (<1%) 的應變，但 PEDOT:PSS 薄膜固有的拉伸性較差，因此在用于測量較大應變時會導致性能和功能水平下降(>20%)。通過添加有彈性的聚合物或彈性體來解決這個問題的嘗試導致了增加的彈性，但降低了檢測小應變的靈敏度。

寺崎生物醫(yī)學創(chuàng)新研究所的一個協(xié)作團隊通過設計一種可有效檢測各種應變的可穿戴應變傳感設備來應對這些挑戰(zhàn)。為了最大限度地發(fā)揮這種傳感器的彈性，TIBI 研究人員從自然界中發(fā)現的一個例子中汲取靈感。眾所周知，蛇在吞食獵物時能夠伸展到正常體型的數倍。在仔細檢查蛇皮后，研究人員觀察到蛇皮上覆蓋著重疊的鱗片。當施加壓力時，這些鱗片會相互滑過，并被置換成分離的鱗片，皮膚散布在它們之間。這賦予皮膚非凡的彈性。

研究人員在制造傳感器時使用了這種設計理念。涂上一層薄薄的 PEDOT:PSS 并烘烤到彈性體膠帶上。然后將該層拉伸至實驗優(yōu)化的 50% 應變水平。該過程導致裂縫和微尺度碎片的形成，或在層表面形成“孤島”，其中散布著 PEDOT:PSS 區(qū)域。這些暴露的區(qū)域用作粘合點，用于應用第二層 PEDOT:PSS 薄層。一旦應用，第二層被進一步拉伸到 100% 的應變水平，從而產生額外的島嶼和區(qū)域，與第一層的島嶼和區(qū)域自然對齊。當從拉伸中釋放出來時，會形成一個帶有重疊島嶼的結構，模仿蛇的鱗片結構。

“這種傳感器開發(fā)的關鍵在于其新穎的結構設計，”首席研究員張世明博士說。“這使我們的設備能夠以高靈敏度測量各種應變水平。”

PEDOT:PSS 雙層被固定在一層水凝膠上;選擇柔軟的凝膠狀水凝膠作為底層，因為它可以貼在受試者的皮膚上，并提供生物相容性和可穿戴舒適性。將銅線和彈性體密封件添加到傳感器中，并進行了各種實驗以測試其檢測各種應變的能力。

在低范圍應變測試中，手腕脈搏的測量是在休息時和運動后進行的。在發(fā)聲和發(fā)聲期間，還測量了頸部皮膚和組織的運動。為了檢測中度應變，在吞咽過程中測量眉毛運動和喉部的上下運動。在高水平應變測試中，測量了不同程度的肘部彎曲。

標簽： 可穿戴傳感器