【摘 要】
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随着人工智能、物联网等信息科学技术的迅速发展,电子皮肤作为连接世界实体与虚拟网络之间的重要工具正在受到广泛关注。作为电子皮肤系统中的一员,柔性传感器具备数据采集、信息反馈等功能,对于系统人机交互的实现具有重要意义。在智慧医疗领域中,对数据实时采集的需求使得柔性应变传感器逐步发展成为当今科学研究的热点。尽管传统硅基金属传感器具备优异的检测性能,但该类传感器固有刚性特征限制了其在柔性电子皮肤中的应用。
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随着人工智能、物联网等信息科学技术的迅速发展,电子皮肤作为连接世界实体与虚拟网络之间的重要工具正在受到广泛关注。作为电子皮肤系统中的一员,柔性传感器具备数据采集、信息反馈等功能,对于系统人机交互的实现具有重要意义。在智慧医疗领域中,对数据实时采集的需求使得柔性应变传感器逐步发展成为当今科学研究的热点。尽管传统硅基金属传感器具备优异的检测性能,但该类传感器固有刚性特征限制了其在柔性电子皮肤中的应用。兼顾生物兼容性、高灵敏度、高可重复性、快速响应、制作工艺简单、成本低廉、大量程等特征始终是应变传感器研究中亟待解决的问题。本文针对柔性应变传感器在全方位人体动作采集时对大量程的需求,基于传统成熟的层层自组装方法,将具有良好拉伸性的柔性材料聚二甲基硅氧烷聚合物(Polydimethylsiloxane,PDMS)与碳基导电材料多壁碳纳米管(Multi-walled carbon nanotubes,MWCNTs)相结合,以人体运动健康实时监测为目的,通过对导电薄膜制作工艺以及性能的优化,设计制备了电阻式PDMS/MWCNTs/PDMS复合结构柔性应变传感器,具有良好的应变检测性能。本文的主要研究内容如下:(1)采用静电驱动的单分子层自组装方法制备应变敏感复合薄膜,通过优化PDMS主剂与固化剂配比、MWCNTs浓度和自组装工艺参数,解决了纳米碳管在柔性基底表面分散不均的问题,满足皮肤柔性表面环境下应变传感应用所需的机械和电学性能及稳定性,保证传感器能够在宽量程范围内有效工作。同时,所发展的自组装工艺具有低成本和可高效率大面积制造的优点。(2)搭建了适合宽范围、高精度测试的拉伸和压力应变自动测试系统,获得了传感器拉伸极限、拉伸及应变响应等敏感性能的详细数据,获得传感器的灵敏度、响应时间等应用需求的重要评估信息。本文所述的PDMS/MWCNTs/PDMS的拉伸应变响应范围为0.1%-75%,在0.1%-50%拉伸时电阻变化呈现线性规律,灵敏度系数为～107.1,响应时间为～0.28s。同时,对在不同压力下传感器响应规律及其机制进行了探讨。(3)面向电子皮肤在智慧医疗领域的应用,基于医疗创新服务体验的理念设计了全方位人体动作采集系统并展示了初步的应用范例。在不同测试环境下,所制备的PDMS/MWCNTs/PDMS应变传感器能够有效感知人体微表情、语言等微尺度动作变化以及肢体、关节活动等大动作,体现了该类传感器具有捕捉不同运动状态和信号的优点。这些范例为人体生命体征的实时、可靠监测提供了一种技术思路。本文的研究表明,层层自组装方法能够有效制备PDMS/MWCNTs/PDMS柔性应变传感器结构,所获得器件具有超宽应变响应范围,能够适应复杂肢体形变并感知动作变化,具有在智慧医疗辅助诊断方面应用的潜力。
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