仿生全方位超敏感柔性应变传感器

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研究背景

能够感知来自不同方向的微小振动的传感器,对于早期检测和预防建筑、仪器和人类健康的故障是非常需要的。在实际应用中，物体可能具有不规则的形状，故障的位置可能难以预测或获取。与传统的刚性应变传感器相比，柔性应变传感器具有在三维环境中进入不同位置的优势。具有不同尺寸和形状的柔性应变传感器已经由碳基材料、金属纳米线]和导电复合材料通过光刻、蚀刻、印刷和切割等技术制作而成。对于柔性应变传感器来说，提高灵敏度、耐用性、响应时间等性能，以及实现一些其他功能，如超疏水/疏水性、多信号检测等是主要的研究趋势。其中，灵敏度仍然是最首要、最重要、最关键的参数，它决定了传感器检测弱信号的能力。因此，许多微/纳米结构,如裂缝、皱纹、波浪、网格或排列结构图案被开发出来，并使用了先进的材料，如Mxene。即便如此，在弱应变(<1%) 下实现超高的灵敏度仍然是一个重大挑战。

另一方面，在这些系统中使用各向异性的材料和结构可能使开发的传感器只在特定的方向上有感应。因为用于传感器的材料总是有很大的长度和直径比(例如，纳米管、纳米线、纳米纤维)，它们在径向与轴向有不同的机械/电反应。此外，具有排列图案的结构也可能导致在一个特定方向上非常敏感。在某些应用中，对特定方向的敏感确实是可取的。然而，其他一些重要的应用有全方向的传感要求，如在健康监测领域，可能在任何地方产生的振动或裂纹源都非常希望被检测到，甚至被定位。事实上，对于柔性传感器来说，在许多应用中非常需要同时具备高灵敏度和全方位的感应能力。

研究成果

传感器被广泛应用于各个领域，其中柔性应变传感器能够感应到微小的机械信号，并且易于适应许多不规则的表面，对于人类、机器或建筑物的结构健康监测、早期检测和故障预防具有吸引力。在实际应用中，从任何方向产生的细微和异常的振动都是非常需要检测的，甚至可以初步确定方向以消除潜在的危险。然而，由于许多具有各向异性的机械/电气性能的材料和它们所采用的一些微/纳米结构的限制，柔性应变传感器要同时实现高灵敏度和全向性是具有挑战性的。吉林大学韩志武教授、牛士超教授和宾夕法尼亚大学杨澍教授揭示了视觉退化的蝎子利用带有扇形凹槽的狭长感觉器在空间上和全方向上检测细微的振动。设计了一个生物启发的柔性应变传感器，由围绕中心圆排列的弧形微槽组成，表现出前所未有的超过18000的测量系数和超过7000个周期的稳定性。它可以感知和识别不同位置的不同输入波形的振动，自由落体珠子的弹跳行为，以及人类手腕的脉冲，而不受传感器安装角度的影响。这些几何设计可以转化为其他材料系统的潜在应用，包括人体健康监测和工程故障检测。相关研究以“Bioinspired, Omnidirectional, and Hypersensitive Flexible Strain Sensors”为题发表在Advanced Materials期刊上。

研究亮点

1. 设计了一种仿生柔性应变传感器,其由围绕中心圆布置的弯曲微槽组成，其具有超过18000的应变计灵敏系数和超过7000个周期的稳定性。

2. 研究表明，无论传感器的安装角度如何，它都能感知和识别不同位置、不同输入波形的振动、自由落体的弹跳行为和人体的手腕脉冲。

3. 这种几何设计也可以转化为其他材料系统，进而实现包括人体健康监测和工I程故障检测等方面的应用。

图文导读

Figure 1. Schematic illustrations of the scorpion’s ultrasensitive and omnidirectional vibration sensing function.

Figure 2. Mathematical analysis for the structure design of scorpion’s slit sensillum and the bioinspired flexible strain sensors.

Figure 3. Sensing performance of the bioinspired strain sensor.

Figure 4. Omnidirectional sensing of the bioinspired strain sensor.

总结与展望

研究表明，弯曲的狭缝及其在狭缝感觉器上的扇形排列是蝎子以高灵敏度感知任何方向振动的关键。然后，作者设计了一个受生物启发的柔性应变传感器，该传感器带有由涂有Ag NPs 的PDMS制成的几何设计凹槽。这种应变传感器在0-0.46%和0.46-0.65%的应变范围内分别表现出超过1400和18000的GF。它可以感知所有方向的振动，这在实际应用中是至关重要的。当排列成一个阵列并放置在一个圆中时，该传感器甚至显示出方向辨别能力。由几何设计引导的表面结构的应用，具有高度的可扩展性，为在一个传感器中同时实现超敏感和全方向的感应打开了大门。这个概念可以应用于不同的材料和任何基底上，以获得广泛的潜在应用。传感器的超灵敏和全向传感的成功展示将为未来现场定向振动的准确识别和快速定位铺平道路。

文献链接

Bioinspired, Omnidirectional, and Hypersensitive Flexible Strain Sensors, Adv. Mater. 2022, 2200823，https://doi.org/10.1002/adma.202200823.

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