Kirigami激发了可穿戴传感器的新方法

随着可穿戴传感器的日益普及,人们需要一种能够抵抗人体自然运动的压力和应变破坏的材料。为此,伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的研究人员已

随着可穿戴传感器的日益普及,人们需要一种能够抵抗人体自然运动的压力和应变破坏的材料。为此,伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的研究人员已经开发出一种采用激进折纸结构的方法,以帮助材料变得更耐应变并且更适应运动。

Kirigami激发了可穿戴传感器的新方法

与折纸类似,折纸是更著名的纸张折叠技术,除折纸外,折纸还包括切割。机械科学与工程学副教授SungWoo Nam和Keong Yong领导的团队成功地将kirigami架构应用于超薄材料石墨烯,从而创建了适用于可穿戴设备的传感器。

Nam指出:“为了获得最佳的传感效果,您不希望运动产生额外的信号输出。”“我们使用kirigami切口来提供超出材料正常变形能力的可拉伸性。这种特殊的设计在将运动伪像与所需信号去耦方面非常有效。”

为了获得这些结果,研究团队与机械科学与工程学教授Narayana Aluru合作,并在纳米制造节点上开发了在线软件,这是第一个要开发的软件,从而能够进行许多模拟。在线软件平台允许研究人员在创建实际设备或平台之前执行仿真。

一旦团队提出了在仿真中效果很好的设计,就该进行测试了。石墨烯作为一种材料似乎很有希望,因为与金属和其他常规材料相比,石墨烯可以承受明显的变形和断裂。由于石墨烯是原子上薄的材料,因此研究团队能够将石墨烯层封装在两个聚酰亚胺层之间(用于保护可折叠智能手机的材料相同)。一旦创建了“三明治”,他们接下来就设计了千纸鹤切工来增强材料的可拉伸性。

Nam说:“由于石墨烯既对外部变化敏感,又对柔性半金属导体敏感,因此人们对用它制造传感器非常感兴趣。”“这种灵敏度非常适合检测您周围的事物,例如汗液中的葡萄糖或离子水平。”

研究小组发现,采用激进折纸结构可以使石墨烯不仅可拉伸,而且对应变不敏感,并且没有运动伪影,这意味着即使石墨烯变形,电态也不会发生变化。具体而言,他们发现石墨烯电极在高达240%的单轴应变或720度扭曲下表现出应变不敏感性。

他们在《今日材料》上发表了他们的研究结果。

Nam说:“ kirigami有趣的是,拉伸时会产生平面外倾斜。”“这就是结构可以承受如此大的变形的方式。”

在他们的设计中,研究人员将有源传感元件放在由折纸石墨烯制成的两个“桥”之间的“岛”上。尽管石墨烯尽管弯曲和倾斜也不会丢失任何电信号,但它仍然承受了拉伸和应变所产生的负载,从而使有源传感元件保持与表面的连接。这样,kirigami具有重新分配应力集中的独特能力,从而获得增强的方向机械属性。

尽管研究小组成功证明了基本方法,但他们已经在进行2.0版的改进,并有可能最终将该技术商业化。

该团队还使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为夹心层取得了积极成果,并相信,除了石墨烯之外,该设计还可以扩展到其他原子级薄的材料,例如过渡金属二卤化物。

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