舒適的應(yīng)變計(jì)可以直接放置在人體皮膚上，以監(jiān)測(cè)連續(xù)運(yùn)動(dòng)活動(dòng)，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和個(gè)人保健。然而，開(kāi)發(fā)一種皮膚應(yīng)變計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)長(zhǎng)期人體運(yùn)動(dòng)而不干擾皮膚的自然運(yùn)動(dòng)是具有挑戰(zhàn)性的。在現(xiàn)在關(guān)于Science Advances的新報(bào)告中，Yan Wang 和東京大學(xué)電氣工程科學(xué)家團(tuán)隊(duì)和緊急物質(zhì)科學(xué)中心提出了一種超薄耐用的納米應(yīng)變計(jì)。該設(shè)備允許連續(xù)運(yùn)動(dòng)活動(dòng)，以最大限度地減少對(duì)自然皮膚運(yùn)動(dòng)的機(jī)械限制。他們使用增強(qiáng)型聚氨酯-聚二甲基硅氧烷設(shè)計(jì)了該設(shè)備(PU-PDMS) 納米網(wǎng)具有出色的可持續(xù)性和耐用性。該設(shè)備的幾何形狀和柔軟度為自然皮膚變形提供了最小的機(jī)械干擾。例如，在語(yǔ)音測(cè)試中，貼有納米網(wǎng)格的面部顯示出類似于沒(méi)有納米網(wǎng)格的自然皮膚的皮膚應(yīng)變圖。王等人。展示了長(zhǎng)期面部映射，以使用表面綁定的納米網(wǎng)傳感器檢測(cè)實(shí)時(shí)、穩(wěn)定的身體運(yùn)動(dòng)。

設(shè)計(jì)納米網(wǎng)格

用于皮膚應(yīng)用的可穿戴電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)為輕薄、柔軟且耐用，可與人體皮膚相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)持續(xù)的長(zhǎng)期應(yīng)用。由于應(yīng)變計(jì)在用于健康診斷的人機(jī)界面中的應(yīng)用，它們?cè)谏锕こ填I(lǐng)域引起了極大的興趣。軟的高精度應(yīng)變計(jì)可用于連續(xù)測(cè)量生物器官功能。然而，它們具有更簡(jiǎn)單的機(jī)制來(lái)在機(jī)械變形后產(chǎn)生重復(fù)的電變化，用于連接生物系統(tǒng)的應(yīng)用。這些設(shè)備只需要高機(jī)械順應(yīng)性、靈活性、靈敏度和生物相容性以獲得最佳功能。在這項(xiàng)工作中，Wang 等人。開(kāi)發(fā)了一種超薄耐用的納米網(wǎng)應(yīng)變計(jì)來(lái)檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)，同時(shí)最大限度地減少對(duì)自然皮膚的機(jī)械限制。他們使用 PU-PDMS(聚氨酯-聚二甲基硅氧烷)設(shè)計(jì)出具有 0.12 mg/cm 2的超輕重量和非凡機(jī)械耐久性的納米網(wǎng)，適用于高循環(huán)拉伸和釋放應(yīng)用。該團(tuán)隊(duì)使用該設(shè)置成功地繪制了長(zhǎng)達(dá) 3.5 小時(shí)的語(yǔ)音期間面部皮膚應(yīng)變圖，長(zhǎng)期佩戴后機(jī)械干擾最小。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，該團(tuán)隊(duì)首先靜電紡 PU(聚氨酯)納米纖維來(lái)制造長(zhǎng)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(jī)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(jìn)表面親水性(喜水性質(zhì))以實(shí)現(xiàn)生物相容性。他們?cè)趦蓚?cè)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(qiáng)了納米纖維之間的互連性，以改善構(gòu)造的結(jié)構(gòu)完整性。與裸納米纖維片相比，獨(dú)立式 PU-PDMS 納米網(wǎng)的機(jī)械強(qiáng)度大大提高，具有更大的拉伸性，該團(tuán)隊(duì)還檢查了其透氣性。

可編程拉伸性和靈敏度

王等人。通過(guò)改變 PDMS 濃度，有效地設(shè)計(jì)了不同的納米網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以獲得具有不同靈敏度和拉伸性的納米網(wǎng)應(yīng)變計(jì)。然而，所有裝置相對(duì)于它們的多孔結(jié)構(gòu)保持相似的孔徑分布?？茖W(xué)家們將應(yīng)變系數(shù)(GF) 或應(yīng)變靈敏度定義為電阻的分?jǐn)?shù)變化與長(zhǎng)度的分?jǐn)?shù)變化之比。不同的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出不同的拉伸性和應(yīng)變系數(shù)。在單軸拉伸過(guò)程中，每個(gè)裝置的阻力以不同的速率增加。通過(guò)稀釋 PDMS 溶液，他們有效地對(duì)具有不同拉伸性和靈敏度的納米應(yīng)變計(jì)進(jìn)行了編程。在更高的應(yīng)變 超出公差范圍，PU-PDMS 網(wǎng)格斷開(kāi)導(dǎo)致納米網(wǎng)格分解，而納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可以通過(guò)釋放應(yīng)變來(lái)保留。

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

為了了解設(shè)備的可持續(xù)性，研究團(tuán)隊(duì)在設(shè)備上施加了 40% 的應(yīng)變達(dá) 12 小時(shí)。然后他們進(jìn)行了循環(huán)測(cè)試以研究構(gòu)造的機(jī)械耐用性并注意到輕微的滯后由于 PDMS 的機(jī)械性能，在最初的幾百個(gè)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(chǔ)存 100 天后保持穩(wěn)定，表明其保質(zhì)期長(zhǎng)，非常適合實(shí)際應(yīng)用。科學(xué)家們使用各種納米纖維支架設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)對(duì)納米網(wǎng)傳感器進(jìn)行了耐久性測(cè)試，包括聚乙烯醇 (PVA)、單獨(dú)的聚氨酯 (PU) 和帶有聚對(duì)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(yīng)變。

將納米網(wǎng)裝置貼在人體皮膚上后，團(tuán)隊(duì)用細(xì)水霧噴灑表面以穩(wěn)定附著。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，佩戴納米網(wǎng)傳感器的受試者幾乎察覺(jué)不到這種接觸。王等人。在臉部右側(cè)連接納米網(wǎng)傳感器，并在左側(cè)放置黑色矩形標(biāo)記作為參考。當(dāng)測(cè)試對(duì)象說(shuō)出字母“a”、“o”和“u”時(shí)，黑色記號(hào)筆記錄的最高應(yīng)變范圍在 17.5% 到 25% 之間，而納米網(wǎng)傳感器記錄的最高應(yīng)變?yōu)?18.3% 到 23.6%。因此，應(yīng)變映射結(jié)果顯示面部右側(cè)和左側(cè)的皮膚應(yīng)變分布對(duì)稱，突出了講話期間納米級(jí)設(shè)備對(duì)皮膚的最小機(jī)械約束?？少N合的納米網(wǎng)可以佩戴 3.5 小時(shí)而不會(huì)感到不適。

然后，該團(tuán)隊(duì)將實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展到檢測(cè)由脈沖引起的人類手腕上細(xì)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(dòng)脈，實(shí)時(shí)采集振幅和頻率，該設(shè)備可用于監(jiān)測(cè)體育鍛煉前后的信號(hào)。該構(gòu)造保持較高的線性拉伸性，以檢測(cè)大關(guān)節(jié)彎曲運(yùn)動(dòng)，具有出色的柔順性，可防止皮膚破損或脫離。即使經(jīng)過(guò) 10,000 次彎曲/松弛循環(huán)后，應(yīng)變傳感器仍保持有效功能，以證明其結(jié)構(gòu)完整性和皮膚與設(shè)備之間的一致性。

通過(guò)這種方式，與同一團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的先前工作相比，在這項(xiàng)工作中開(kāi)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(cè)試中，這些結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出非凡的耐用性和可持續(xù)性。機(jī)械耐用性是長(zhǎng)期實(shí)時(shí)高精度皮膚監(jiān)測(cè)測(cè)試的關(guān)鍵特征。納米網(wǎng)傳感器非常適合一系列實(shí)際應(yīng)用，包括遠(yuǎn)程個(gè)人健康監(jiān)測(cè)、跟蹤耐力運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)以及作為皮膚-機(jī)器接口假肢。王等人。建議用更具成本效益的導(dǎo)電納米材料代替金表面涂層來(lái)構(gòu)建納米網(wǎng)未來(lái)的電子產(chǎn)品?？茖W(xué)家們?cè)O(shè)想這些結(jié)構(gòu)將適用于未來(lái)的皮膚/可植入電子設(shè)備，用于日常醫(yī)療保健監(jiān)測(cè)活動(dòng)。

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