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Kirigami激發了可穿戴傳感器的新方法

隨著可穿戴傳感器的日益普及,人們需要一種能夠抵抗人體自然運動的壓力和應變破壞的材料。為此,伊利諾伊大學厄本那-香檳分校的研究人員已經開發出一種采用激進折紙結構的方法,以幫助材料變得更耐應變并且更適應運動。

與折紙類似,折紙是更著名的紙張折疊技術,除折紙外,折紙還包括切割。機械科學與工程學副教授SungWoo Nam和Keong Yong領導的團隊成功地將kirigami架構應用于超薄材料石墨烯,從而創建了適用于可穿戴設備的傳感器。

Nam指出:“為了獲得最佳的傳感效果,您不希望運動產生額外的信號輸出。”“我們使用kirigami切口來提供超出材料正常變形能力的可拉伸性。這種特殊的設計在將運動偽像與所需信號去耦方面非常有效。”

為了獲得這些結果,研究團隊與機械科學與工程學教授Narayana Aluru合作,并在納米制造節點上開發了在線軟件,這是第一個要開發的軟件,從而能夠進行許多模擬。在線軟件平臺允許研究人員在創建實際設備或平臺之前執行仿真。

一旦團隊提出了在仿真中效果很好的設計,就該進行測試了。石墨烯作為一種材料似乎很有希望,因為與金屬和其他常規材料相比,石墨烯可以承受明顯的變形和斷裂。由于石墨烯是原子上薄的材料,因此研究團隊能夠將石墨烯層封裝在兩個聚酰亞胺層之間(用于保護可折疊智能手機的材料相同)。一旦創建了“三明治”,他們接下來就設計了千紙鶴切工來增強材料的可拉伸性。

Nam說:“由于石墨烯既對外部變化敏感,又對柔性半金屬導體敏感,因此人們對用它制造傳感器非常感興趣。”“這種靈敏度非常適合檢測您周圍的事物,例如汗液中的葡萄糖或離子水平。”

研究小組發現,采用激進折紙結構可以使石墨烯不僅可拉伸,而且對應變不敏感,并且沒有運動偽影,這意味著即使石墨烯變形,電態也不會發生變化。具體而言,他們發現石墨烯電極在高達240%的單軸應變或720度扭曲下表現出應變不敏感性。

他們在《今日材料》上發表了他們的研究結果。

Nam說:“ kirigami有趣的是,拉伸時會產生平面外傾斜。”“這就是結構可以承受如此大的變形的方式。”

在他們的設計中,研究人員將有源傳感元件放在由折紙石墨烯制成的兩個“橋”之間的“島”上。盡管石墨烯盡管彎曲和傾斜也不會丟失任何電信號,但它仍然承受了拉伸和應變所產生的負載,從而使有源傳感元件保持與表面的連接。這樣,kirigami具有重新分配應力集中的獨特能力,從而獲得增強的方向機械屬性。

盡管研究小組成功證明了基本方法,但他們已經在進行2.0版的改進,并有可能最終將該技術商業化。

該團隊還使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為夾心層取得了積極成果,并相信,除了石墨烯之外,該設計還可以擴展到其他原子級薄的材料,例如過渡金屬二鹵化物。

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