国内大学研究人员联合研发热管理柔性可穿戴应变传感器
图 柔性可穿戴应变传感器结构及实物图。
图 (a)TPU-BNNS导热层和传感器 导热系数。(b)不同BNNSs含量 传感器样品饱和工作温度比较。(c)传感器经受 零多个反复拉伸( 零零%形变)-复原过程时表面温度变化曲线。(d)拉伸-复原过程中由BNNSs间接触面积变化而引起导热通路变化示意图。
图 应变传感器用于龙舟队员训练时动作监测分析
图 细胞增殖实验证明该柔性可穿戴应变传感器 安全性
对于可穿戴电子设备而言,器件 安全性至关重要,即器件成分本身不能对人体产生任何安全隐患。本传感器中,导热层和热绝缘层都是由TPU构成,因此两层材料有较好 互溶性,可以将GNRs和BNNSs牢牢限制在器件中,从而避免了因纳米材料可能产生 毒性对人体细胞 损伤。
日前,青岛大学物理科学学院孙彬副教授与上海交通大学黄兴溢教授、上海大学张统 院士等合作研发了 款具有高效热管理能力 柔性可穿戴应变传感器,并用于青岛大学龙舟运动员 日常训练动作监测和分析。相关工作以“Ahighperformancewearablestrainsensorwithadvancedthermalmanagementformotionmonitoring”发表在《NatureCommunications》上。 作者为青岛大学 零 零届物理学硕士研究生谭岑孝,孙彬副教授、黄兴溢教授和张统 院士为论文共同通讯作者。
柔性电子器件因其可在弯折、扭曲、折叠、拉伸等情况下仍能保持稳定 电学性能而成为当下科学研究 热点之 。相比常规硬质器件,柔性电子器件在诸如柔性传感器、可穿戴设备、能源存储、植入 等领域有着广泛 应用。与高导热复合纳米材料类似,柔性电子器件 制备也多是通过将导电纳米材料(例如纳米线、纳米管、石墨烯等)与柔性高分子基体复合来获得。然而在器件反复形变过程中,导电纳米材料之间较大 接触电阻,以及纳米材料与高分子基体之间 不良接触等,均会使得柔性电子器件内部积聚大量热量。这些热量如果不能及时从器件中消散,势必会影响器件 性能和寿命,甚至会危及整个系统 安全。即对于柔性电子器件,除了优异 力学性质和电学性质,稳定 热学性能同样重要。目前 导热绝缘复合材料尽管本身具有 定柔韧性,并且应用于LED等常规硬质电子器件 热管理,但其在柔性电子器件领域 应用研究却极少有人涉足。探寻恰当 热管理材料与结构,并应用于柔性电子器件领域,狗粮快讯网讯息汇报,对其机理展开深入研究,对于新 代柔性可穿戴电子器件 发展显得尤为重要。
测试中,研究者发现,无论是TPU-BNNSs膜还是传感器 导热系数都会随着BNNSs含量 增加而增加,但由于传感器含有疏松 TPU电纺纤维层,因此其导热系数不如含有相同质量BNNSs TPU-BNNSs膜,但含有 %BNNSs 传感器样品导热系数仍较纯TPU致密膜封装 样品有 % 提高,这也导致前者 饱和工作温度较后者有 % 下降。此外,研究者还对该传感器在零- 零零%应变范围内 饱和工作温度进行了观测,在超过 零个循环内,其饱和温度变化在 . °C以内,显示了较高 热稳定性。其原因在于TPU-BNNSs膜中 BNNSs相互搭联形成导热通路,虽然拉伸时部分BNNSs接触面积变小,导致温度小幅提高,但恢复形变之后大部分BNNSs又回到原来位置,修复了导热通路。
研究者对该柔性可穿戴传感器进行了独特 结构设计，由石墨烯纳米带(GNRs)构成导电网络在器件发生形变时,电阻信号发生变化,可以用来实时监测人体运动情况;导热层由掺杂了氮化硼纳米片 热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU-BNNS)膜构成,可将器件使用过程中产生 热量快速实时传导到空气中;热绝缘层(TPU纤维膜)则可有效防止热量在器件和人体皮肤界面累积,保障人体安全。同时,狗粮快讯网下午报道,TPU纤维膜 多孔结构也保证了皮肤 透气性。
该工作有望对柔性可穿戴器件 制备提供新 思路。
龙舟竞赛是我国 传统体育项目。在龙舟比赛中,龙舟运动员以肩膀为轴,狗粮快讯网近日报道,通过上肢运动划动桨叶,从而驱动龙舟快速向前运动。因此,龙舟运动员 伤病部分发生在上肢,包括肩膀、肘部、手腕等关节,而其中大部分是因为疲劳引起。考虑到疲劳时容易产生动作变形,研究者们将该应变传感器用于青岛大学女子龙舟队(去年中华龙舟大赛总决赛季军)队员 日常训练动作监测。监测时,传感器被分别固定在运动员肩膀、手腕和肘部。结果表明,当运动员体力充沛时,固定于肩膀处 传感器信号显示有两处峰值,分别对应了肩部 拉伸和关节旋转;而当运动员感觉疲劳时,肩关节 旋转信号减弱甚至完全消失,只剩下机械 拉伸活动。相反,运动员手腕处 传感器信号显示,相比于体力充沛时,感觉疲劳 运动员会不由自主 弯曲手腕以获得足够 推动桨叶 力量。此外,无论是肩膀、手腕还是肘部,当运动员体力不支时,传感器信号 输出强度均小于体力充沛时。
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