深圳先進院開發出高性能微流體柔性應變傳感器
近日，中國科學院深圳先進技術研究院醫工所微創中心王磊研究員、李暉副研究員團隊在利用波浪形微通道設計改善基于液態金屬的柔性應變傳感器遲滯性、響應時間和靈敏度方面的研究取得新進展。相關研究成果以”Superelastic, Sensitive, and Low Hysteresis Flexible Strain Sensor Based on Wave-Patterned Liquid Metal for Human Activity Monitoring”為題發表在ACS Applied Materials & Interfaces（影響因子：8.758）上，李暉副研究員是該論文的通訊作者，研究助理陳靜為第一作者，深圳先進院為第一作者單位和唯一通訊單位。
柔性應變傳感器已經成為未來智能設備發展的重要研究方向、在人機交互、電子皮膚和運動監控等領域具有廣闊的應用前景。目前，柔性應變傳感器已廣泛用于可穿戴電子設備中以獲取人體物理參數，但是無論傳感材料的可拉伸性如何，小應變變化的分辨率不足或加載/卸載狀態之間的滯后現象始終限制了這些傳感器的各種應用。基于此，深圳先進院微創中心醫學微系統團隊通過將液態金屬共晶鎵銦（EGaIn）嵌入到波浪形微通道柔性基底中，開發了一種微流體柔性應變傳感器，其新型波浪形設計抑制了微通道的粘彈性，提高了變形恢復能力，改善了遲滯性和響應速度。
該柔性應變傳感器可承受高達320％的應變且能夠正常工作，波浪形結構能夠有效抑制微通道的粘彈性，遲滯性從6.79％提高到1.02％。此外，通過延長波浪形微通道長度，同時傳感器的靈敏度（GF = 4.91）和分辨率得到提高，能夠檢測到低至0.09％的極微小應變變化，另外響應時間低至116ms。實驗驗證該柔性應變傳感器能夠被用于人體和機器人的運動監測，例如手指、頸部、呼吸胸腔和機器人關節的不同運動狀態等，在可穿戴電子、運動識別、醫療健康和軟體機器人方面具有廣闊的應用前景。
該研究得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省自然科學金和深圳市基礎研究等的支持。
圖1：直線型微通道傳感器和波浪形微通道傳感器的響應曲線對比。（a，c）直線型應變傳感器和（b，d）波浪形應變傳感器的相對電阻分別在縱向和橫向負載下的變化；（e）直線型應變傳感器和波浪形應變傳感器結構；（f）直線型應變傳感器和波浪形應變傳感器在連續分布加載實驗中的響應曲線變化。
圖2：（a）增強的波浪形微流體應變傳感器結構。（b）增強的波浪形微流體應變傳感器表現出良好的適形性，柔韌性和可彎曲性。
圖3：增強的波浪形應變傳感器作為可穿戴設備實時監測人體和機器人的運動狀態。(a)人體手指彎曲/舒展時的信號響應；(b)貼敷有傳感器的手指在抓取不同尺寸物體時的信號相對變化(1)燒杯;(2)塑料杯;(3)圓珠筆；（c）增強的波浪形傳感器在人體頸部彎曲和(d)胸腔呼吸等動態循環加載下的輸出信號變化。(e)集成在機器人運動關節上的柔性傳感器隨機器人不同運動狀態的響應曲線。
