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离子液体微带为生医穿戴装置铺路

发布时间:2019-09-12 17:14:22

澳州蒙纳许大学(Monash University)的研究人员持续为生物医学应用克服穿戴式感测器的弯曲与伸缩功能等挑战。在该校化学工程系研究部主任程文龙(Wenlong Cheng)的带领下,研究人员们采取一种可侦测动作与生命征象的新途径——他们设计出一种高度可伸缩且极其灵敏的弹性应力感测器,能够紧密地贴合在穿戴者的皮肤上。

研究人员们在感测器中嵌入一个充满离子液体(IL)的通道作为可变导体,而不必再依赖导电墨水或其他金属/半导体粒子合成弹性材料。有趣的是,这种制程相当简单,而且也十分便宜。

研究人员们先利用3D列印打造一种简单的模具,然后再灌注与加工处理Ecoflex矽胶材料,制造出一种配备印制微通道的环带。等到其中充满离子液体后,再用另一层矽胶密封该薄至1mm的通道。

由于离子液体可在伸缩的通道内自由流动,使其不至于遭受弹性疲乏、破裂或局部剥离等问题,甚至导致替代的可伸缩电子在重复多次挠曲后终致失败。

这种弹性微带可加以弯曲或拉伸,使其微通道变得细长,宽度也进一步缩减(但液体量保持恒定),从而影响了导电离子的分布,也降低了通道的整体导电性。一旦应用在皮肤上,监测弹性带上的电阻变化就类似于测量皮肤的运动与应力。研究人员并展示,藉由将微通道的尺寸从不到1mm调整到低于2mm,就能调谐该环带的灵敏度。

为该弹性微带施加3V电压时,即可侦测从0.1到500%之间具有可重复性与长期稳定性的各种应力。事实上,该弹性带十分灵敏,甚至可织入于手环中,用于侦测细微的形变,如即时辨识腕部脉博或监测不同的手势,如握紧拳头、弯曲手掌或手指等。

不仅如此,研究人员还指出,温度升高有助于增强导电性的灵敏度。他们将该元件整合于LED电路中,并且观察如何透过手环的温度调整其亮度,因而可根据温度监测电流阻抗变化。人体体温(37℃)的电流约为10.2uA,使该弹性应力感测器可望适用于作为穿戴式温度计。

另一个有趣的观察是,这种低廉的应力感测器不仅防水,而且还能在水下保持正常作业;事实上,它也具有压力灵敏度。一种解释是在沈入水中后,水压会使嵌入式通道缩小,因此导致离子浓缩,从而降低整体通道功耗阻抗。

为了完成广泛的电池测试,研究人员在不同的温度条件下执行洗涤测试,分别在1Hz、2Hz与7Hz的频率下进行50,000次生命周期的低(5%)与高(100%)应力测试,持续观察到高讯噪比(SNR)、可靠的动态反应以及可忽略不计的峰值损耗(0.26%)。

完整的测试结果刊载于《Materials Horizons》期刊中的“定量离子液体微带实现高度耐用的穿戴式生医感测器”(Volume-invariant ionic liquid microbands as highly durable wearable biomedical sensors)一文。

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