En strækbar, komprimerbar sensor til bærbar elektronik og bløde robotter

De seneste teknologiske fremskridt har muliggjort udviklingen af ​​stadig mere sofistikeret elektronik. Nogle af disse nye værktøjer, særligt bærbare enheder og bløde robotter, kræver eller kan have stor gavn af fleksible elektroniske komponenter, inklusive sensorer, aktuatorer og superkondensatorer.

Forskere ved Zhengzhou University og Peking University i Kina har for nylig udviklet en ny strækbar og komprimerbar hydrogel-belastningssensor, der kan bruges til at fremstille en række fleksible eller bløde teknologier med sensing-funktioner, herunder sundhedstrackere og robotskin. Denne sensor, præsenteret i et papir udgivet i Makromolekylære materialer og teknik , er både nem at fremstille og overkommelig, hvilket gør den ideel til storskala implementeringer.

Forskerne skabte det ved ensartet at sprede kulstof nanofiberpulver (CFP) inde i en polyvinylalkohol (PVA)-baseret hydrogel. PVA har indtil videre vist sig at være meget lovende for udviklingen af ​​fleksibel elektronik på grund af dets fordelagtige mekaniske egenskaber og det faktum, at det er biologisk nedbrydeligt.

Ved at sprede CFP inde i den PVA-baserede hydrogel, forskerne var i stand til at forbedre materialets mekaniske styrke og øge dets elektriske ledningsevne. De brugte, hvad der er kendt som en 'fryse-optøningscyklus'-metode, hvilket indebærer gentagne gange nedfrysning og optøning af et stof.

PVA/CFP-hydrogelen fremstillet ved denne proces viste sig at udvise et bredt strækningsområde (366 %) og komprimering (70 %). Dette gør den ideel til udvikling af meget fleksibel elektronik, som kan strækkes eller komprimeres, samtidig med at de optimale føleevner bevares.

"I løbet af 1000 læsse-aflæsningscyklusser, PVA/CFP hydrogelen har en lav plastisk deformation ( <10 %, til både strækning og komprimering), lille energitabseffektivitet (5,62 % under strækning og 12,13 % under komprimering), og en stabil mekanisk styrke og fremragende følsomhed, om det er strakt til 100 % eller komprimeret til 50 % belastninger, " skrev forskerne i deres papir.

Ud over at være ret ligetil og effektiv, denne metode til fremstilling af strækbare og komprimerbare sensorer er billig, og kunne dermed let skaleres op. I øvrigt, det muliggør udvikling af højtydende sensorer, der kan detektere en bred vifte af menneskelig adfærd eller aktiviteter.

For eksempel, sensorer skabt ved hjælp af den nye fremstillingsstrategi kan nøjagtigt registrere, når en bruger bøjer eller strækker hans/hendes led, vejrtrækning, og synke. De kan også mærke de ændringer i tryk, der finder sted, når mennesker går eller bevæger sig.

Forskerne testede deres sensorer i flere scenarier, placere dem på en brugers håndled for at registrere spænding af knytnævemuskler, på halsen for at overvåge synke, på maven for at opdage vejrtrækning, eller under skosålen for at overvåge brugerens gangadfærd. De brugte også de samme sensorer til at registrere et menneskes berøring, og når han/hun trykkede på sensoren.

Kulstof nanofiber-polymer hydrogel stammesensoren har allerede opnået meget lovende resultater, fremhæver dets potentiale for en række anvendelser. I fremtiden, det kunne bruges til at udvikle nye bærbare enheder, såsom smartwatches og sundhedstrackere, men det kunne også muliggøre fremstilling af strækbare elektroniske skins med avancerede sensing-funktioner.

© 2020 Science X Network