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付绍云教授团队利用废纸开发出具有压力传感和热疗双重功能的智能手环
来源:付绍云教授个人网站 发布日期:2016-12-07

近年来,有关柔性电子设备的研究呈现快速增长趋势,特别是可穿戴的柔性应力、应变传感器,在运动健身、健康监测、医疗器械等方面具有良好的应用前景。目前此类传感器多由具有三维导电网络结构的应力敏感材料与硅橡胶复合而成。而作为传感器核心的应力敏感材料主要是以碳纳米管、石墨烯、金银纳米线等纳米材料为起始原料,利用冷冻干燥法、模板法等工艺制备而成。但是这些材料存在制备工艺复杂、成本高以及不可再生等问题。另外以应力、应变传感器为代表的可穿戴设备,目前仅有健康检测功能,尚未有将医疗功能与健康检测功能集于一体的研究报道。例如,热理疗是一种常用的治疗方法,广泛用于治疗关节肿痛,改善肌肉痉挛与炎症等症状,但是传统的热疗设备存在体积和重量较大,不易控温等缺点,其应用主要限制在医院中。因此开发一种廉价、制备工艺简单、且兼具健康检测和医疗等功能于一体的智能传感器,对可穿戴设备的发展意义重大。

随着全球人口的增长、城市化以及生活水平的提高,全世界每年有大量的纸张被制造并消费。纸张消费量的提高产生了大量的垃圾,循环利用纸张,不但可以解决环境问题,而且可以保护森林。重庆大学航空航天学院的付绍云和李元庆教授团队,利用废纸为起始原料,开发出了一种低成本的多功能柔性压力传感器。该多功能传感器的制备过程如图1所示,首先将废纸加入到水中进行超声分解,得到纸浆;然后利用冷冻干燥技术,将纸浆制成多孔状的纸海绵;接着在高温并有惰性气体保护的环境下将纸海绵裂解成碳化海绵;最后利用硅橡胶将脆性的碳化海绵进行封装,即可制备出具有压阻效应的柔性压力敏感材料。利用碳化海绵/硅橡胶复合材料所制备的柔性压力传感器具有响应速度快、应力响应范围大、工作频率宽、使用寿命长等特点。此外,该柔性压力传感器具有良好的电加热效果,通过对其工作电压的调控,即可实现对传感器表面温度的控制,可用做具有热辽效果的可穿戴设备。同时,该压力传感器可以制备成智能手环,可实现人体脉搏信号的检测,也可用于腕部热理疗;将该传感器与腰带整合,则可实现人体呼吸状态的实时检测;此传感器还可与运动鞋进行整合,所开发的智能跑鞋可实现人体运动状态(如走、跑、跳等)的跟踪。重庆大学的研究工作表明未来的传感器,除了具有良好的信号监测功能外,还将具有医疗、信号显示等多种功能。未来的智能可穿戴设备必定围绕着多功能一体化的趋势进行发展,为多功能传感材料的设计和开发指明了方向和想象空间。


1. 碳海绵基柔性可穿戴应变传感器制备流程图


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http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.6b11196

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