【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】人體活動(dòng)所產(chǎn)生的包括應(yīng)變和溫度等生理信號(hào)是醫(yī)療健康、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的重要數(shù)據(jù)來源，利用柔性可穿戴設(shè)備實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和溫度的感知意義重大。柔性傳感器是柔性可穿戴設(shè)備的核心部件，其發(fā)展趨勢(shì)是集成化和多功能化。發(fā)展柔性應(yīng)變-溫度雙模態(tài)傳感器，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和溫度等信號(hào)的監(jiān)測(cè)以及區(qū)分，同時(shí)兼具高的分辨率仍是一個(gè)難點(diǎn)。
Co基磁性非晶絲具有優(yōu)異的軟磁性能和巨磁阻抗效應(yīng)(GMI)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的高靈敏探測(cè)，是發(fā)展柔性多功能傳感器的理想材料之一。前期，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員李潤(rùn)偉、劉宜偉基于磁性非晶絲設(shè)計(jì)與發(fā)展了仿生觸覺傳感器與自供電彈性應(yīng)變傳感器，并在機(jī)器人假肢的觸覺感知、運(yùn)動(dòng)捕捉的智能服裝方面實(shí)現(xiàn)應(yīng)用(Science Robotics. 2018, 3, eaat0429；Nano Energy, 2022, 92, 106754)。在此基礎(chǔ)上，研究人員以磁性非晶絲為敏感材料，通過設(shè)計(jì)具有管狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)的雙模態(tài)傳感器實(shí)現(xiàn)了單一傳感器對(duì)應(yīng)變和溫度的靈敏監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)區(qū)分。
該傳感器具有獨(dú)立的應(yīng)變和溫度感知機(jī)制。一方面，結(jié)合磁彈性體的磁彈效性和Co基非晶絲的巨磁阻抗效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變靈敏探測(cè)；另一方面，用于阻抗輸出的熱電偶線圈具有顯著的塞貝克效應(yīng)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)溫度的檢測(cè)。基于獨(dú)立的感應(yīng)機(jī)制，溫度和應(yīng)變信號(hào)之間不存在相互耦合，后續(xù)通過信號(hào)讀取電路可實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變信號(hào)的實(shí)時(shí)區(qū)分和輸出。
該研究中雙模態(tài)傳感器的應(yīng)變-磁轉(zhuǎn)換單元中具有磁彈效應(yīng)的磁彈性體提供隨應(yīng)變而變化的磁場(chǎng)，通過內(nèi)置的Co基磁性非晶絲，能夠靈敏感知微小變化的磁場(chǎng)，從而輸出變化的阻抗，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的感知。此外，該工作設(shè)計(jì)了具有雙功能的Cu-CuNi熱電偶線圈，不僅可以實(shí)現(xiàn)阻抗的輸出，而且本身具有的塞貝克效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的感知。
進(jìn)一步地，通過調(diào)控應(yīng)變-磁轉(zhuǎn)換單元的不同區(qū)域的相對(duì)模量，即磁彈性管和非磁性彈性管的相對(duì)模量，可以控制磁場(chǎng)變化快慢，從而能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)變靈敏度的可調(diào)。該傳感器可實(shí)現(xiàn)0.05%的應(yīng)變和0.1℃的低探測(cè)極限，5.29和54.9μV/℃的較高應(yīng)變和溫度感知靈敏度。
此外，該研究也從模擬和實(shí)驗(yàn)上對(duì)該雙模傳感器的應(yīng)變-溫度信號(hào)輸出的耦合和相互干擾進(jìn)行了驗(yàn)證。研究人員分別測(cè)試了雙模傳感器在不同應(yīng)變下的溫度輸出信號(hào)和不同溫度下的應(yīng)變輸出信號(hào)，發(fā)現(xiàn)該傳感器具有的管狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠有效避免應(yīng)變對(duì)溫度的干擾，且磁性非晶絲和磁粉的磁性能在低于居里溫度下具有良好的溫度穩(wěn)定性，可以確保溫度對(duì)應(yīng)變感知幾乎沒有影響。
該研究將所設(shè)計(jì)的管狀線型雙模傳感器與織物集成，可以同時(shí)用于人體微小應(yīng)變的探測(cè)，比如呼吸和吞咽等檢測(cè)，也可用于膝蓋彎曲等較大應(yīng)變的探測(cè)，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)體溫或環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在健康監(jiān)測(cè)、智慧醫(yī)療以及人機(jī)交互領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
相關(guān)成果近期以Dual mode strain-temperature sensor with high stimuli discriminability and resolution for smart wearables為題在線發(fā)表在Advanced Functional Materials上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金重大儀器研制項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委中德交流項(xiàng)目、中科院國(guó)際合作重點(diǎn)項(xiàng)目、浙江省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
圖1(a)雙模傳感器的感應(yīng)機(jī)制，(b)具有管狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)的雙模傳感器傳感器制備流程，(c)應(yīng)變-磁轉(zhuǎn)換單元中磁彈性管的微觀形貌，(d-i)具有磁彈效應(yīng)的磁彈性管不同磁化方向磁化具有不同的磁性能，(j-m)雙模傳感器外觀和柔性展示
圖2 雙模傳感器的應(yīng)變感知性能
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