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黄维院士&朱纪欣︱Nano Lett.:基于金属性“三明治”结构气凝胶的人机操控柔性电子传感器件

发表时间:2020-04-14 08:08作者:科匠学术

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本文由通讯作者-朱纪欣教授、第一作者张洪健博士受邀撰写,由衷感谢他们对科匠学术的支持!

一、研究背景:

近年来,可穿戴柔性应变传感器在人机操控、柔性机器人和智能医疗等领域展示出巨大的优势和应用前景。然而,目前应用于电阻型应变传感器的无机纳米材料面临着灵敏度较低、结构单一、制备复杂、成本较高等问题,这对可穿戴柔性传感器件的进一步发展提出了新的挑战。此外,基于可穿戴柔性传感器的人机操控和人体微弱信号探测目前还有待进一步研究和发展。


二、文章简介:

针对以上问题,西北工业大学和南京工业大学黄维院士、朱纪欣教授(共同通讯作者)通过一种高效、安全、低成本的合成方法,实现了高性能金属性VN/CNTs气凝胶混合物的合成,相关成果发表在Nano Letters,第一作者为博士研究生张洪健作者们制备得到了具备特殊的类毛刷三明治纳米结构和优异电学性能的VN/CNTs纳米材料,并将其与PDMS柔性基底相结合设计成适用于微小应变的高灵敏度、高耐久度和高响应速度的柔性应变传感器,并成功应用于实时的人机操控系统和多种人体物理信号的探测。

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图1. VN/CNTs的理论设计和合成原理。(a-b)基于第一性原理计算的结构和性能设计。(c-d)材料晶体结构及合成原理示意图。


三、文章内容:

1、材料设计与“一步氮化和碳化”合成策略

首先通过第一性原理计算方法,对VN/CNTs的结构和电学性能进行了预测。结果表明CNT更倾向于垂直于VN纳米片表面生长并形成有序的三维网络结构,这种独特的结构拥有良好的电导率和VN-CNT界面的电子传输特性。实验通过冻干法和热处理法合成由垂直CNT阵列修饰的VN纳米片。合成方法简单、安全,所合成的材料具有新颖的阵列结构以及良好的纯度和结晶性。

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图2. 材料形貌和结构表征。(a-c)V2O5·nH2O和VN/CNTs的形貌图。(d-i)VN和N-CNT的形貌、结构和元素分析。
2、器件制备与优异的传感性能

采用简便的刮涂法和转移法,实现纳米敏感材料与柔性基底的牢固结合,从而制备高性能柔性应变传感器。该材料具有独特的类毛刷三明治堆叠结构,使器件在微小应变下可以通过VN/CNTs纳米结构之间的滑移与断开,从而引起器件电阻的明显变化。传感器在小应变下(<10%)表现出优异的探测灵敏度(GF = 386),良好的响应速度和耐久度。

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图3. (a)柔性传感器的制备方法。(b-c)柔性传感器工作示意图。(d-h)柔性传感器的性能表征。
3、器件在人机操控系统中的应用
利用所制备的柔性传感器对人体关节运动的传感特性,设计了基于VN/CNTs柔性传感器的实时人机操控系统,成功地实现人手对机械手运动的同步控制。

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图4. 基于VN/CNTs柔性应变传感器的实时人机操控系统。(a)手指弯曲信号。(b-d)人机操控系统的电路图和实时控制演示图。
4、人体微弱信号监测与可穿戴舒适性评估
将所制备的柔性传感器成功地应用于对人体微弱信号的探测,如声音识别(不同单词、不同重音识别)、脉搏监测(不同性别、不同生理状态识别)及呼吸频率监测(深呼吸、正常呼吸、急促呼吸)等。此外,对柔性传感器的可穿戴舒适性进行了评估,如皮肤贴合性、散热性等。

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图5. VN/CNTs柔性应变传感器对人体微弱信号的探测。(a-c)声音识别。(d-e)脉搏监测。(f)呼吸监测。(g-h)器件良好的可穿戴性、舒适性和散热性展示。

四、总结与展望:

作者采用一种新颖而简便的原位催化合成方法,合成了具有三维导电网络的VN/CNTs气凝胶混合材料。其中,所合成的VN/CNTs具有独特的三明治结构,显著提高了电导率,可适用于应变传感器的导电材料。同时,作者使用微图案模板的简便方法研制了基于VN/CNTs的高灵敏度柔性应变传感器。基于以上优点,在VN纳米片上排列的重叠CNT阵列的滑动和分离,在10%的小应变下显示出386的高应变系数,以及显示出快速响应和出色的耐久性(1000次循环)等优点。而且,该传感器在检测身体移动、声音和医疗信号方面表现突出,并成功地将所制备的传感器应用于机器人手实时操控系统中,在人机交互的商业化方面显示出巨大的潜力。


五、致谢:

感谢国家自然科学基金(51872139)、江苏省自然科学基金会(BK20170045)、海外高层次人才引进计划(千人计划1211019)、江苏省六大人才高峰项目(XCL-043)、陕西省自然科学基础研究计划(2019JLM-28)和中央高校基本科研业务费专项资金的资助。

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Authors: Hongjian Zhang, Wenqi Han, Kui Xu, Yu Zhang, Yufei Lu, Zhentao Nie, Yuhang Du, Jixin Zhu*, Wei Huang*

Title: Metallic Sandwiched-Aerogel Hybrids Enabling Flexible and Stretchable Intelligent Sensor

Published in: Nano Letters, doi: 10.1021/acs.nanolett.0c00372.

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