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东南大学张久洋教授课题组 AM:超灵敏金属-粘弹性高分子复合电子材料用于环境增强感知
2023-12-13  来源:高分子科技

  生活中的微振动无处不在,如声音和环境噪音,是最常见的机械波/能量形式。这些机械振动可以传递能量并传播各种信号,能够广泛应用于现代工业,例如机器人、健康管理设备和人机交互。然而,极小的压力、复杂的振动波形和高噪声敏感性使检测细微的振动极具挑战性。因此,柔性电子设备必须同时实现超高灵敏度、极低的检测限和出色的频率分辨率来研究细微振动中的信息。


  近日,东南大学化工学院、东南大学无锡校区张久洋教授报道了一种超高灵敏度、超低检测限、精确频率识别的低成本柔性电子器件,实现了对极细振动的实时检测。这种柔性电子器件的各向异性导电性来自于两相金属和绝缘氧化物颗粒结构带来的局部导电性,而高灵敏性来源于敏感的导电连接。这种导电网络对外力十分敏感,可以记录和处理包括声振动在内的各种复杂信号。基于巧妙的各向异性设计,本研究成功实现了超高灵敏度、超低检测限、精确频率识别的低成本柔性电子器件,实现了对细微振动的实时检测。这项研究为超灵敏柔性电子器件的设计打开了新思路,推动了声学工程、医疗保健监测、可穿戴电子和智能机器人领域的发展。


  相关工作以题为Ultrasensitive Soft Sensor from Anisotropic Conductive Biphasic Liquid Metal–Polymer Gels的论文发表在际顶级学术期刊Advanced Materials上。张久洋教授为论文通讯作者,彭燕博士为论文第一作者,东南大学为第一通讯单位。该研究成果得到国家自然科学基金的资助。 


1. 各向异性导电凝胶的结构和超灵敏性能


  各向异性导电凝胶Anisotropic Conductive Gels, ACG具有出色的灵活性、适应性和低成本,因此可以方便地组装超灵敏器件,用于测量微小角度。如图1d所示,设计了一个光学杠杆实验,ACG在微小变形下电阻的大幅变化证明了其优异的传感性能。ACG的超高灵敏性来源于其各向异性导电性:ACG水平绝缘而垂直导电。相邻导电粒子的短距离连接产生的局部导电性导致了各向异性电导率。与各向同性导电材料相比,各向异性导电通路容易受到微小变形的影响,提高了柔性电子材料的灵敏度。 


2. ACG的微振动检测和机理


  为了表征ACG的超高灵敏度,使用流变仪对ACG精确施加不同的微小机械振动并联用数字万用表实时监测ACG的电阻变化。如图2c所示,ACG具有极高的响应系数GF = 12787)。这一现象可以用ACG的横截面显微图像(图2e)解释:连接的双相LM在微小变形(1%)下可以很容易地分离。此外,ACG还具有极低的检测下限(0.01%)和良好的测试稳定性(10万次循环稳定),优于大多数报道的应力应变传感器。 


3. ACG用于声音检测与机器人增强感知


  ACG具有超高灵敏度、极低检测下限和精确的频率识别,有望实现空气振动的识别和高精度分析。声学振动,如声音,是最常见的空气振动。然而,来自声信号的空气振动极低且在空气-物体界面处迅速而强烈地衰减。因此,目前大多数电子软传感器无法实现对声信号的非接触式检测。而ACG可以检测空气中的声音信号并将其转换为电信号(图3a3b)。ACG表现出媲美iPhone录音机的声音记录性能(图3d)和良好的频率识别能力(图3e3f)。


  除了声场中的感知能力外,ACG还可以通过检测微小振动来增强智能机器人的环境感知能力。图3g-3h显示了将ACG单元集成到机器人控制面板中的实验装置。当有轻质物体掉落、轻柔触摸机器人或有小车驶过时,ACG的电阻都会发生明显的变化,表明机器人优异的环境感知能力(图3i-3k)。此外,ACG还可以监控机器人的自身的动作,例如头部的摇晃,证明了ACG的内在监测能力。


  本研究基于导电结构设计了一种超灵敏的柔性各向异性导电凝胶。ACG具有超高灵敏度(GF12787)和极低的检测下限(0.01%),大大超过了大多数当前的传感器。通过流变-电学实验深入研究了各向异性结构、细微振动和电性能之间的关系。基于ACG方便、经济和巧妙的各向异性设计,在复杂声音信号下表现出出色的声学传感能力(频率保真度>99%)。此外,ACG的增强感知能力有望用于未来人机交互、智能机器人、健康管理等先进技术中。


  论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202305707

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(责任编辑:xu)
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