舒適的應變計可以直接放置在人體皮膚上，以監(jiān)測連續(xù)運動活動，廣泛應用于機器人、人體運動檢測和個人保健。然而，開發(fā)一種皮膚應變計來監(jiān)測長期人體運動而不干擾皮膚的自然運動是具有挑戰(zhàn)性的。在現(xiàn)在關于Science Advances的新報告中，Yan Wang 和東京大學電氣工程科學家團隊和緊急物質科學中心提出了一種超薄耐用的納米應變計。該設備允許連續(xù)運動活動，以最大限度地減少對自然皮膚運動的機械限制。他們使用增強型聚氨酯-聚二甲基硅氧烷設計了該設備(PU-PDMS) 納米網(wǎng)具有出色的可持續(xù)性和耐用性。該設備的幾何形狀和柔軟度為自然皮膚變形提供了最小的機械干擾。例如，在語音測試中，貼有納米網(wǎng)格的面部顯示出類似于沒有納米網(wǎng)格的自然皮膚的皮膚應變圖。王等人。展示了長期面部映射，以使用表面綁定的納米網(wǎng)傳感器檢測實時、穩(wěn)定的身體運動。

設計納米網(wǎng)格

用于皮膚應用的可穿戴電子產(chǎn)品設計為輕薄、柔軟且耐用，可與人體皮膚相結合，以實現(xiàn)持續(xù)的長期應用。由于應變計在用于健康診斷的人機界面中的應用，它們在生物工程領域引起了極大的興趣。軟的高精度應變計可用于連續(xù)測量生物器官功能。然而，它們具有更簡單的機制來在機械變形后產(chǎn)生重復的電變化，用于連接生物系統(tǒng)的應用。這些設備只需要高機械順應性、靈活性、靈敏度和生物相容性以獲得最佳功能。在這項工作中，Wang 等人。開發(fā)了一種超薄耐用的納米網(wǎng)應變計來檢測人體運動，同時最大限度地減少對自然皮膚的機械限制。他們使用 PU-PDMS(聚氨酯-聚二甲基硅氧烷)設計出具有 0.12 mg/cm 2的超輕重量和非凡機械耐久性的納米網(wǎng)，適用于高循環(huán)拉伸和釋放應用。該團隊使用該設置成功地繪制了長達 3.5 小時的語音期間面部皮膚應變圖，長期佩戴后機械干擾最小。

在實驗過程中，該團隊首先靜電紡 PU(聚氨酯)納米纖維來制造長而毛發(fā)狀的纖維，以形成可滲透納米網(wǎng)傳感器的骨架。在下一步中，他們將 PU 納米纖維片浸入稀釋的 PDMS(聚二甲基硅氧烷)納米纖維溶液中，形成被 PDMS 包圍的隨機束。王等人。將材料暴露在溫和的紫外線 (UV) 臭氧下以固化表面并促進表面親水性(喜水性質)以實現(xiàn)生物相容性。他們在兩側使用金沉積完成了該裝置，并使用掃描電子顯微鏡觀察了所得的 PU-PDMS 芯鞘(SEM)。PDMS 涂層增強了納米纖維之間的互連性，以改善構造的結構完整性。與裸納米纖維片相比，獨立式 PU-PDMS 納米網(wǎng)的機械強度大大提高，具有更大的拉伸性，該團隊還檢查了其透氣性。

可編程拉伸性和靈敏度

王等人。通過改變 PDMS 濃度，有效地設計了不同的納米網(wǎng)結構，以獲得具有不同靈敏度和拉伸性的納米網(wǎng)應變計。然而，所有裝置相對于它們的多孔結構保持相似的孔徑分布。科學家們將應變系數(shù)(GF) 或應變靈敏度定義為電阻的分數(shù)變化與長度的分數(shù)變化之比。不同的網(wǎng)狀結構表現(xiàn)出不同的拉伸性和應變系數(shù)。在單軸拉伸過程中，每個裝置的阻力以不同的速率增加。通過稀釋 PDMS 溶液，他們有效地對具有不同拉伸性和靈敏度的納米應變計進行了編程。在更高的應變 超出公差范圍，PU-PDMS 網(wǎng)格斷開導致納米網(wǎng)格分解，而納米網(wǎng)格結構可以通過釋放應變來保留。

PU-PDMS 納米網(wǎng)傳感器的機電可持續(xù)性、可靠性和耐用性

為了了解設備的可持續(xù)性，研究團隊在設備上施加了 40% 的應變達 12 小時。然后他們進行了循環(huán)測試以研究構造的機械耐用性并注意到輕微的滯后由于 PDMS 的機械性能，在最初的幾百個循環(huán)中的電阻。由于其惰性金表面，PU-PDMS 納米網(wǎng)的薄層電阻在環(huán)境條件下儲存 100 天后保持穩(wěn)定，表明其保質期長，非常適合實際應用。科學家們使用各種納米纖維支架設計的結構對納米網(wǎng)傳感器進行了耐久性測試，包括聚乙烯醇 (PVA)、單獨的聚氨酯 (PU) 和帶有聚對二甲苯涂層的 PU。與其他三種表現(xiàn)不佳的納米網(wǎng)相比，PU-PDMS 納米網(wǎng)在 100 次循環(huán)期間表現(xiàn)出均勻的循環(huán)應變。

將納米網(wǎng)裝置貼在人體皮膚上后，團隊用細水霧噴灑表面以穩(wěn)定附著。在實驗過程中，佩戴納米網(wǎng)傳感器的受試者幾乎察覺不到這種接觸。王等人。在臉部右側連接納米網(wǎng)傳感器，并在左側放置黑色矩形標記作為參考。當測試對象說出字母“a”、“o”和“u”時，黑色記號筆記錄的最高應變范圍在 17.5% 到 25% 之間，而納米網(wǎng)傳感器記錄的最高應變?yōu)?18.3% 到 23.6%。因此，應變映射結果顯示面部右側和左側的皮膚應變分布對稱，突出了講話期間納米級設備對皮膚的最小機械約束。可貼合的納米網(wǎng)可以佩戴 3.5 小時而不會感到不適。

然后，該團隊將實驗擴展到檢測由脈沖引起的人類手腕上細微的皮膚變形。他們輕輕按壓裝有納米網(wǎng)傳感器的人手腕橈動脈，實時采集振幅和頻率，該設備可用于監(jiān)測體育鍛煉前后的信號。該構造保持較高的線性拉伸性，以檢測大關節(jié)彎曲運動，具有出色的柔順性，可防止皮膚破損或脫離。即使經(jīng)過 10,000 次彎曲/松弛循環(huán)后，應變傳感器仍保持有效功能，以證明其結構完整性和皮膚與設備之間的一致性。

通過這種方式，與同一團隊進行的先前工作相比，在這項工作中開發(fā)的基于 PU-PDMS(聚氨酯-聚二甲基硅氧烷)的超軟多層納米網(wǎng)更薄且更具拉伸性。在循環(huán)拉伸測試中，這些結構表現(xiàn)出非凡的耐用性和可持續(xù)性。機械耐用性是長期實時高精度皮膚監(jiān)測測試的關鍵特征。納米網(wǎng)傳感器非常適合一系列實際應用，包括遠程個人健康監(jiān)測、跟蹤耐力運動表現(xiàn)以及作為皮膚-機器接口假肢。王等人。建議用更具成本效益的導電納米材料代替金表面涂層來構建納米網(wǎng)未來的電子產(chǎn)品?？茖W家們設想這些結構將適用于未來的皮膚/可植入電子設備，用于日常醫(yī)療保健監(jiān)測活動。

標簽： 納米傳感器