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北卡罗来纳州立大学的研究人员开发了一种可拉伸应变传感器，它具有前所未有的灵敏度和范围结合，使其能够检测到比以前的技术更大的运动范围的应变的微小变化。研究人员通过创造新的健康监测和人机界面设备，证明了传感器的实用性。
应变是测量材料从其原始长度变形的程度。例如，如果你将橡皮筋拉伸到原来长度的两倍，它的应变将是100%。
“测量应变在许多应用中都很有用，比如测量血压的设备和跟踪物理运动的技术，”朱勇说，他是一篇关于这项工作的论文的通讯作者，也是北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程安德鲁·a·亚当斯杰出教授。
“但到目前为止，这是一种权衡。敏感的应变传感器——能够检测到微小的变形——不能被拉伸太远。另一方面，可以拉伸到更大长度的传感器通常不是很敏感。我们开发的新型传感器既灵敏又能承受巨大的变形。”“另一个特点是，即使在过度拉伸时，传感器也非常坚固，这意味着当施加的应变意外超过传感范围时，它不太可能断裂。”
这种新型传感器由嵌入弹性聚合物的银纳米线网络组成。这种聚合物具有一种平行切口的图案，切口深度均匀，从材料的两侧交替进行:从左边切割一次，然后从右边切割一次，然后从左边切割一次，等等。
这篇论文的第一作者、最近刚从北卡罗来纳州立大学毕业的博士吴爽说:“这种特征——有图案的切割——在不牺牲灵敏度的情况下，可以实现更大范围的变形。”
传感器通过测量电阻的变化来测量应变。随着材料的拉伸，阻力增大。传感器表面的切口垂直于它被拉伸的方向。这有两个作用。首先，切口允许传感器显著变形。由于表面的切口被拉开，形成了一个之字形图案，这种材料可以承受巨大的变形而不会达到断裂点。其次，当切口拉开时，这迫使电信号传播得更远，在锯齿形曲线上上下移动。
“为了证明新传感器的灵敏度，我们用它们来创造新的可穿戴血压设备，”朱说。“为了证明传感器可以变形到什么程度，我们创造了一种可穿戴设备，用于监测人背部的运动，这对物理治疗有实用价值。”
“我们还展示了一个人机界面，”吴说。“具体来说，我们使用传感器创建了一个三维触摸控制器，可以用来控制视频游戏。”
“该传感器可以很容易地集成到现有的可穿戴材料中，如织物和运动胶带，便于实际应用，”朱说。“所有这些都只是触及了表面。我们认为，随着我们继续研究这项技术，将会有一系列额外的应用。”
这张纸。”基于裂纹扩展和开放的高灵敏度、可拉伸和鲁棒应变传感器发表在该杂志上ACS应用材料与界面．这篇论文的合著者是北卡罗来纳州立大学的博士生凯瑟琳·穆迪(Katherine Moody);以及北卡罗来纳州立大学前本科生阿比洛普·科利帕拉的作品。
这项工作得到了美国国家科学基金会的支持，资助号为2122841;美国国立卫生研究院，资助号R01HD108473;以及美国国防部，批准号为W81XWH-21-1-0185。
希普曼-
编者须知:研究摘要如下。
基于裂纹扩展和开口的高灵敏度、可拉伸和鲁棒应变传感器
作者:吴爽，Katherine Moody, Abhiroop Kollipara和Yong Zhu，北卡罗莱纳州立大学
发表: 2022年12月22日ACS应用材料与界面
DOI: 10.1021 / acsami.2c16741
文摘:软的和可拉伸的应变传感器已经引起了极大的关注。然而，灵敏度(测量因子)和传感范围之间的权衡一直是一个主要的挑战。在这项工作中，我们报告了一种柔性可拉伸电阻应变传感器，它具有高灵敏度、大传感范围和高鲁棒性的不同寻常的组合。该传感器由嵌入弹性基质(如聚二甲基硅氧烷)表面下的银纳米线网络制成。周期性的机械切割应用于传感器的顶部表面，将电流从均匀地流过传感器改变为沿着由开放裂纹定义的传导路径。通过实验和有限元分析，研究了狭缝深度、狭缝长度和狭缝间距的影响。可拉伸应变传感器可以集成到可穿戴系统中，用于监测与不同应变水平相关的生理功能和身体运动，如血压和下背部健康。最后，开发了一种用于人机界面和机器人触觉传感的软三维(3D)触摸传感器，它可以跟踪法向应力和剪应力。
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