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    西安交大BEBC李菲教授課題組:用于手指靈活度、手勢和溫度識別的MWNTs/PDMS纖維智能手套的研發與應用
    2020-05-21  來源:高分子科技

      近年來,柔性電子可穿戴設備不斷發展,在運動監測、個性化醫療和康復訓練等領域嶄露頭角,有望取代傳統電子設備。對于運動、感覺功能障礙的周圍神經損傷患者,開發可穿戴設備、在康復訓練過程中實時監測其關節狀態和周圍溫度刺激,可保護其免受二次損傷。但目前的可穿戴設備在臨床應用方面仍面臨一些關鍵挑戰:如缺乏具備優異傳感性能的多功能傳感器、較少考慮傳感器結合外部設備的需求、不能實時輸出信號等;在柔性傳感器的制備方面:傳統工藝所需設備笨重且需要專業人員操作,且具有成本高、耗時、環境不友好等缺點。因此,簡化柔性材料的制備工藝、優化傳感器性能、集成輕質可穿戴設備成為柔性電子領域亟待解決的問題。


      近日,西安交通大學生命科學與技術學院仿生工程與生物力學研究所(BEBC)李菲教授團隊采用簡單一步“擠面條”法制備尺寸、導電性能可調的多壁碳納米管/聚二甲基硅氧烷(MWNTs/PDMS)纖維材料,并開發了可識別和傳輸手指靈活度、手勢和溫度的功能芯片,并集成于商用手套上組成智能手套。該多功能智能手套可用于手功能受損的康復訓練、溫度識別和手語的標準化教學等領域。


      針對傳感器制備工藝復雜、耗時、成本高等問題,該團隊提出了新型的一步“擠面條”法:將MWNTs和PDMS混合后填充到注射器中,通過帶有微米級孔徑的篩網擠出形成MWNTs/ PDMS纖維(圖1)。該方法一次可制備多條纖維,簡單高效、成本低廉,有望實現批量生產。


    圖1. MWNTs/PDMS 纖維的一步“擠面條”制備方法示意圖


      通過改變MWNTs和PDMS的重量比和篩孔直徑制備出力、導電性能可調的MWNT/PDMS纖維,且不同直徑纖維都表現出良好的應變特性(圖2a),MWNTs/PDMS纖維在循環拉伸20000次后表現出很好的穩定性(圖2b),同時該纖維的電阻變化率還與溫度信號呈現良好的線性(圖2c,d),可實現多信號傳感的功能。


    圖2. MWNTs / PDMS纖維的傳感性能。(a)不同直徑MWNTs / PDMS纖維的電阻變化率和應變量關系;(b)基于MWNTs / PDMS纖維的應變傳感器在50%應變下的20000次循環中的長期穩定性;(c)MWNTs / PDMS纖維在不同溫度下的電阻變化率曲線;(d)MWNTs / PDMS纖維電阻變化率與溫度的線性關系。


      在此基礎之上,該團隊進一步將該纖維傳感器編織于商品化織物手套上,并在手套上集成了可實時分析、處理和傳輸信號的電子芯片,通過顯示屏、音頻和藍牙等多種方式輸出手勢、溫度等信號(圖3)。該智能手套不僅可用于康復訓練中手指靈活度的評估和溫度過冷過熱的警示,還可用于手語的標準化教學,同時其舒適度、輕便性和多功能性可為用戶帶來良好體驗。


    圖3. 可用于手指靈活度、手勢和溫度識別的智能手套示意圖


      以上研究成果以“Smart Glove Integrated with Tunable MWNTs/PDMS Fibers Made of a One-Step Extrusion Method for Finger Dexterity, Gesture, and Temperature Recognition”為題發表在ACS Applied Materials & Interfaces上。博士生李迎春為第一作者,李菲教授為該文的通訊作者。該文的其他作者還包括西安交通大學徐峰教授和本科生鄭純然劉帥黃亮方天舒和西安梁家灘國際中學的高中生李心澤同學等。該工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發項目、陜西省自然科學基金、中央大學基礎研究經費等項目的資助。


      BEBC基于“臨床問題(BED)- 實驗室研究(BENCH)- 臨床應用(BED)”的研究策略,將力學、化學、材料學、生物醫學工程等領域交叉融合,系統開展即時檢測技術的應用研究。BEBC李菲教授課題組基于“生命科學基礎問題-電分析化學技術和儀器研發-生物醫學工程應用”的學術思路,立足于電分析化學方法與技術,結合生物材料、生物醫學工程和醫學等學科,主要開展單細胞電化學和電化學即時檢測技術平臺的研究工作。


      論文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsami.0c08114


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    (責任編輯:xu)
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