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西安交大BEBC李菲教授课题组:用于手指灵活度、手势和温度识别的MWNTs/PDMS纤维智能手套的研发与应用
2020-05-21  来源:高分子科技

  近年来,柔性电子可穿戴设备不断发展,在运动监测、个性化医疗和康复训练等领域崭露头角,有望取代传统电子设备。对于运动、感觉功能障碍的周围神经损伤患者,开发可穿戴设备、在康复训练过程中实时监测其关节状态和周围温度刺激,可保护其免受二次损伤。但目前的可穿戴设备在临床应用方面仍面临一些关键挑战:如缺乏具备优异传感性能的多功能传感器、较少考虑传感器结合外部设备的需求、不能实时输出信号等;在柔性传感器的制备方面:传统工艺所需设备笨重且需要专业人员操作,且具有成本高、耗时、环境不友好等缺点。因此,简化柔性材料的制备工艺、优化传感器性能、集成轻质可穿戴设备成为柔性电子领域亟待解决的问题。


  近日,西安交通大学生命科学与大发排列3学院仿生工程与生物力学研究所(BEBC)李菲教授团队采用简单一步“挤面条”法制备尺寸、导电性能可调的多壁碳纳米管/聚二甲基硅氧烷(MWNTs/PDMS)纤维材料,并开发了可识别和传输手指灵活度、手势和温度的功能芯片,并集成于商用手套上组成智能手套。该多功能智能手套可用于手功能受损的康复训练、温度识别和手语的标准化教学等领域。


  针对传感器制备工艺复杂、耗时、成本高等问题,该团队提出了新型的一步“挤面条”法:将MWNTs和PDMS混合后填充到注射器中,通过带有微米级孔径的筛网挤出形成MWNTs/ PDMS纤维(图1)。该方法一次可制备多条纤维,简单高效、成本低廉,有望实现批量生产。


图1. MWNTs/PDMS 纤维的一步“挤面条”制备方法示意图


  通过改变MWNTs和PDMS的重量比和筛孔直径制备出力、导电性能可调的MWNT/PDMS纤维,且不同直径纤维都表现出良好的应变特性(图2a),MWNTs/PDMS纤维在循环拉伸20000次后表现出很好的稳定性(图2b),同时该纤维的电阻变化率还与温度信号呈现良好的线性(图2c,d),可实现多信号传感的功能。


图2. MWNTs / PDMS纤维的传感性能。(a)不同直径MWNTs / PDMS纤维的电阻变化率和应变量关系;(b)基于MWNTs / PDMS纤维的应变传感器在50%应变下的20000次循环中的长期稳定性;(c)MWNTs / PDMS纤维在不同温度下的电阻变化率曲线;(d)MWNTs / PDMS纤维电阻变化率与温度的线性关系。


  在此基础之上,该团队进一步将该纤维传感器编织于商品化织物手套上,并在手套上集成了可实时分析、处理和传输信号的电子芯片,通过显示屏、音频和蓝牙等多种方式输出手势、温度等信号(图3)。该智能手套不仅可用于康复训练中手指灵活度的评估和温度过冷过热的警示,还可用于手语的标准化教学,同时其舒适度、轻便性和多功能性可为用户带来良好体验。


图3. 可用于手指灵活度、手势和温度识别的智能手套示意图


  以上研究成果以“Smart Glove Integrated with Tunable MWNTs/PDMS Fibers Made of a One-Step Extrusion Method for Finger Dexterity, Gesture, and Temperature Recognition”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。博士生李迎春为第一作者,李菲教授为该文的通讯作者。该文的其他作者还包括西安交通大学徐峰教授和本科生郑纯然刘帅黄亮方天舒和西安梁家滩国际中学的高中生李心泽同学等。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发项目、陕西省自然科学基金、中央大学基础研究经费等项目的资助。


  BEBC基于“临床问题(BED)- 实验室研究(BENCH)- 临床应用(BED)”的研究策略,将力学、化学、材料学、生物医学工程等领域交叉融合,系统开展即时检测大发排列3的应用研究。BEBC李菲教授课题组基于“生命科学基础问题-电分析化学大发排列3和仪器研发-生物医学工程应用”的学术思路,立足于电分析化学方法与大发排列3,结合生物材料、生物医学工程和医学等学科,主要开展单细胞电化学和电化学即时检测大发排列3平台的研究工作。


  论文链接:https://doi.org/10.1021/acsami.0c08114


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(责任编辑:xu)
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