【摘 要】
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随着人工智能的快速发展,具有多种功能和适合人体的柔性可穿戴传感设备近年来引起了广泛的研究兴趣。电容式传感器具有温度不敏感、功耗低、动态响应快、结构设计简单等优点,在人机界面、电子皮肤、实时健康监测、软机器人等方面有着广阔的应用前景。目前,许多柔性基材已经被研究用于制备柔性可穿戴传感器,比如聚合物薄膜、海绵、纺织品等。其中,纺织基传感器能够兼具穿戴舒适性能和多功能传感性能,成为智能可穿戴传感器领域重
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随着人工智能的快速发展,具有多种功能和适合人体的柔性可穿戴传感设备近年来引起了广泛的研究兴趣。电容式传感器具有温度不敏感、功耗低、动态响应快、结构设计简单等优点,在人机界面、电子皮肤、实时健康监测、软机器人等方面有着广阔的应用前景。目前,许多柔性基材已经被研究用于制备柔性可穿戴传感器,比如聚合物薄膜、海绵、纺织品等。其中,纺织基传感器能够兼具穿戴舒适性能和多功能传感性能,成为智能可穿戴传感器领域重要研究分支。但是,纺织基传感器的多模态传感性能鲜有研究,尤其是在非接触/接触多模态传感方面。非接触传感通过无接触的模式实现与外界周围环境的交互,在现阶段新冠病毒肆意传播形势下具有重要研究意义。接触传感赋予机器人“触觉”感知,可实现模拟人类皮肤的功能,如感知物体的形状、硬度,在人机交互等方面具有巨大应用潜力。因此,基于纺织的电容传感器在非接触/接触多模态传感性能方面仍有很大的潜力,亟待进一步研究。本课题采用镀镍铜机织物作为柔性电极,以单组份硅橡胶、针织物及间隔织物作为介电层材料,筛选性能更优异的非接触/触觉多模态纺织基电容传感器,实现传感器件在柔性可穿戴领域的应用。主要研究内容如下:(1)针对传感设备柔软性的问题,本文选择镀镍铜织物和单组份环保型硅橡胶分别作为电极和介电层组装制备得到非接触/触觉双模态硅胶基传感器。硅橡胶和镀镍铜织物均良好的柔软性、可变形性及机械性能,使其所组装的传感器具有很好的柔性。实验表明,该传感器具有较好的压力传感性能,灵敏度达0.0014 k Pa-1,耐久性高于10000次加/卸压循环,轻压检测限度低至5.88 Pa。另外,该传感器也拥有较好的非接触检测性能(检测范围为0-3.0 cm,最大相对电容变化量为7%)。并且,镀镍铜机织物在反复的压缩实验中,导电性能良好,未有任何损伤,在制备柔性电极方面具有很大潜力。(2)针对传感器可穿戴舒适性问题,本章采用镀镍铜织物作为电极,以纬平针织物作为介电层,构筑得到非接触/触觉双模态针织物基传感器。由于镀镍铜机织物电极层和中间针织物介电层厚度均在微米级别,拥有良好的透气和透湿性,使该传感器在具有压力和非接触双重信号感应功能的同时,也具有良好的可穿戴舒适性(如轻薄、透气性、透湿性),较聚合物弹性体薄膜基更符合柔性可穿戴电子设备的要求。实验结果表明,该传感器透气性和透湿性分别为168.20 g/m~2h、537.86 mm/s,并且可以连续实时监测非接触(0.022 cm-1)和压力(0.00246 k Pa-1)双模信号。所制备的传感阵列具有良好的空间分辨率,能够准确感知和追踪手指和重物的位置,在人机交互、软体机器人等领域具有广阔的应用潜力。(3)针对进一步提高纺织基传感器传感性能的问题,采用间隔纬编织物作为中间介电层制备非接触/触觉双模态传感器。间隔织物由两层纬编针织物和支撑纱构成,拥有稳固的三维立体结构,具有压缩稳定性、低成本和穿着舒适性等特点。用石墨烯分散液处理后的间隔织物进一步提高了传感器的压力灵敏度(0.33 k Pa-1)。并且,三维织物基传感器显示出很好的非接触性能(0.069 cm-1)、透气性(448.77 mm/s)和透湿性(147.11g/(m~2h)),在柔性可穿戴领域具有独特优势。(4)为证明纺织基传感器在可穿戴领域的应用潜力,首先将三维间隔织物基传感器集成到训练服中,可精确监测出拳速度和压力,实现柔性可穿戴服装上触觉和无触觉信号的连续智能数字化,在人类格斗运动训练的智能数字化方面具有实际应用前景。另外,根据传感器优秀的非接触性能制备了一个非接触“微雷达”预警服,在保护个人安全和减少交叉感染方面具有重要价值。
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