江汉大学吴钰祥/湘雅医院李宇晟/纳米能源所李舟 AFM：自供能柔性传感器阵列

江汉大学吴钰祥/湘雅医院李宇晟/纳米能源所李舟 AFM：自供能柔性传感器阵列 - 动态压力监测的新突破

2024-04-08 来源：高分子科技

在智能医疗健康领域，实时监测人体动态压力变化一直是研究热点。近期，江汉大学吴钰祥教授、湘雅医院李宇晟教授和中国科学院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员，成功开发出一种自供能、柔性、长期稳定的传感器阵列，为动态压力监测领域带来了新的突破。该研究本报道了一种基于压电聚合物的自供能、柔性、长期稳定的传感器阵列，该传感器阵列专为动态压力监测而设计，通过热压法和直流溅射技术，研究人员成功制备了具有微腔结构的压力传感器。该传感器展现出高灵敏度、快速响应和长期稳定性，能够实时监测声音振动、动脉脉搏、手指运动以及猪膝关节内的动态压力变化。这一成果为医疗监测、人体运动跟踪和机器人技术等领域提供了新的技术解决方案。

图1 压力传感器的制造工艺和表征。a）压力传感器的制造流程图。b）压力传感器的结构图。c）压力传感器的尺寸。d）压力传感器的微腔结构。e）1 Hz频率下传感器电压的输出特性。 f）1 Hz频率下传感器电流的输出特性。 g）1 Hz频率下传感器电荷的输出特性。

图2 压力传感器的模拟和响应。a）使用有限元模拟的传感器原始状态和按下状态的电位分布。b）传感器的响应时间。c）在相同的接触面积和力下输出不同的通道。

图3 柔性压力传感器的性能表征。a）传感器在不同负载下的电压输出。b）传感器在不同负载下的压力和电压之间的关系。c）柔性压力传感器的最小检测限。d）传感器不同位置的压电系数。e）不同时间传感器压电系数的平均值。f）在不同曲率的拱形结构的作用下，柔性压力传感器的输出发生变化。g）柔性压力传感器抵抗串行干扰的能力。h）柔性压力传感器在4000次作用下电压输出的变化。数据以平均值±SEM表示。

图4 柔性压力传感器在人体中的应用。a）监测声音振动。b）监测桡动脉脉搏。c）监测手指屈曲和伸展。d）膝关节压力概念图的无线传输。e）膝关节模具上传感器滚动过程中电压的输出表征。f）传感器在膝关节模具上滚动过程中电流的输出特性。g）传感器在膝关节模具上滚动过程中的电荷输出表征。

图5 猪膝关节置换术期间的动态压力监测。a）猪全膝关节置换术示意图。b）动物实验中的动态膝关节压力监测系统。c）猪不同关节角度下膝关节的压力分布。

打破传统：自供能技术的创新应用

随着物联网(IoT)和人工智能(AI)的快速发展，对高性能传感器的需求日益增长，尤其是在需要精确监测压力变化的领域，如电子皮肤、智能机器人、人工假肢和可穿戴电子设备等。传统的压力传感器往往依赖外部电源，限制了其在移动和远程监测中的应用。因此，开发一种自供能、柔性且稳定的传感器阵列对于实现无线、实时的压力监测具有重要意义。这项技术的核心在于自供能。传统的传感器需要外部电源来运行，而这种新型传感器阵列利用压电聚合物的特性，通过机械压力的变化产生电能，从而实现自我供能。这一创新不仅提高了传感器的灵活性和便携性，还为长时间、连续监测提供了可能。此外，考虑到传感器在各种应用场景中的适应性，研究团队还重点关注了传感器的柔性和长期稳定性。
相关研究成果以“Self-Powered Flexible Sensor Array for Dynamic Pressure Monitoring”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202316712

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（责任编辑：xu）

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