华南理工大学江赛华教授团队 AFM：基于分段嵌入策略的仿软骨多向应变传感器

华南理工大学江赛华教授团队 AFM：基于分段嵌入策略的仿软骨多向应变传感器 - 高弹性及各向异性

2023-11-27 来源：高分子科技

开发柔性、可拉伸和灵敏的多向传感系统，能够解耦不同的机械输入实现良好的空间分辨率和可控的多向或多刺激传感性能，对于动态人体信号感知和智能人机交互至关重要。然而大多数已报道的多向传感器只适用于分辨平面内的变形方向，且传感材料很难在可拉伸性和机械强度之间取得平衡。

近期，华南理工大学机械与汽车工程学院江赛华教授和陈国华教授团队，受关节内软骨组织复杂结构的启发，开发了一种分段嵌入策略来改善聚合物材料的机械性能，并利用此结构固有各向异性实现传感功能解耦，构建可以感知并准确识别平面内正交方向拉伸应变以及空间压缩应变的多向应变传感系统。

为了展示这一结构策略，团队通过设计宏观分段结构，构建了兼顾柔软性和高韧性的增强复合材料。将具有优异粘弹性的软材料聚丙烯酰胺凝胶作为基质部分，将具有类似胶原纤维束的多孔分层结构的天然生物材料木材作为硬质部分的模板，制成了分段嵌入式结构（图 1）。软质部分产生弹性变形，而硬质部分则通过应力分散和局部变形支撑大量载荷。软段和硬段材料通过宏观机械拓扑结构和氢键紧密粘合，从而增强了整体延展性，并保留了嵌入材料的部分各向异性结构。这使得它们能够作为平面传感单元应用于复杂场景。通过垂直堆叠分段嵌入式单元传感器，展示了一种具有局部高度排列的导电网络的多向传感系统。该系统可感应多个维度的应变，并通过检测电信号评估和分析对不同方向应变变化的独立响应以及应变强度方向的识别。通过使用机器学习和分类算法，提高了数据识别的准确性，使得该系统能够有效监测生理信号和人体动态运动，展现了在可穿戴电子、电子皮肤、人机交互等领域极大的应用潜力。

图1 分段嵌入结构聚合物的设计及应用概念

图2 分段嵌入水凝胶材料的力学性能

图3 分段嵌入水凝胶材料的变形贡献分析

图4 多向传感器装置的制作和传感应用

图5 多向传感系统在监测和识别关节运动模式和异常情况的应用

目前，该研究以“Cartilage-inspired Multidirectional Strain Sensor with High Elasticity and Anisotropy Based on Segmented Embedded Strategy”为题发表于《Advanced Functional Materials》上。本文的通讯作者为华南理工大学江赛华教授，该研究工作得到了国家自然科学基金（22175066，52274232）和广东省自然科学基金（2023A1515012961）的资助。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202307313

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（责任编辑：xu）

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