格罗宁根大学–3D可压缩超轻石墨烯聚二甲基硅氧烷复合泡沫作为压阻式传感器

针对个性化医疗监护的需求，对柔性、超敏、可挤压、可贴装和可穿戴传感器的需求日益增长，因此有必要探索基于纳米聚合物复合材料的新型传感器。在此，我们报道了一种敏感的3D可压缩石墨烯-聚二甲基硅氧烷(PDMS)泡沫压阻传感器，该传感器通过将多层石墨烯纳米颗粒注入糖基多孔PDMS泡沫结构中来实现。所制得的压阻式泡沫塑料传感器的静态和动态压缩应变测试结果显示，在0- 50%的应变范围内，存在两个线性响应区域，平均应变因子为2.87~8.77。此外，动态刺激响应揭示了传感器的能力，有效地跟踪动态压力高达70赫兹的频率。该传感器在36000次循环压缩载荷和100次完整的人类步态运动周期中显示出很高的稳定性。通过仿真步态模型和实时步态表征实验，3D传感泡沫体可精确的对人体步态进行监测。实时步态实验表明，鞋底三个位置的压力分布信息不仅可以区分步行和跑步等不同的人类步态，还可以识别可能的跌倒情况。本论文还展示了传感器区分足部解剖结构的能力，如扁平足(低中心弓)和中弓脚，这是更有效的生物力学。此外，传感器能够感知各种基本的关节运动反应，证明它们适合于个性化医疗应用。

Figure 1. 可压缩石墨烯-PDMS泡沫传感器的制备：(a)多层石墨烯纳米薄片(MLG)渗透PDMS泡沫的示意图；(b)具有电触点的单一PDMS-MLG泡沫传感器的示意图：(c)石墨烯-PDMS泡沫传感器的(c)可挤压性和(d)超轻性。

Figure 2. 负载MLG前后PDMS泡沫的SEM图：(a, b)不同放大倍数下未PDMS泡沫体的多孔结构；(c, d) 载有MLG两种不同放大倍数的PDMS泡沫，其孔壁被MLG纳米薄片覆盖，形成一个纳米材料渗透网络。

Figure 3. 石墨烯-PDMS泡沫传感器中可能的应变诱导电阻调制机制的示意图：(a)传感器中观察到的应变诱导电阻调制的导电域断开机制的示意图；(b)应力诱导隧穿电阻调制的示意图。

Figure 4.石墨烯-PDMS泡沫传感器表征：(a)用于进行压阻性表征实验的装置的示意图；(b)石墨烯- PDMS泡沫传感器的归一化电阻随外加压缩应变的变化曲线高达9.5%；(c)用于在10-50%范围内对较大的压缩应变进行压阻特性实验的装置示意图；(d)在不同应变下(10% ~ 50%)，5种不同压缩载荷下传感器响应归一化电阻变化曲线图；(e)叠加图，显示了传感器在10%-50%五种不同压缩应变下的归一化电阻变化；(f)柱状图显示了石墨烯- PDMS泡沫传感器在10%-50%五种不同压缩应变下的计算应变因子。

Figure 5. 循环压缩加载和动态应变传感特性的石墨烯泡沫塑料传感器：(a)传感器在5%压缩应变下对循环加载和卸载的响应；(b)传感器在10 Hz时时域响应的曲线图；(c)在35 Hz和70 Hz时传感器响应的FFT振幅图。

Figure 6. 石墨烯- PDMS泡沫传感器在人体步态监测中的应用：(a)传感器对模拟步态的响应图；(b)软鞋底传感器组件(SSA)示意图；(c)显示步行时脚趾球和脚后跟区域的传感器响应图；(d)显示跑步时脚趾球、足弓和脚后跟区域的传感器响应图；(e)显示周期性前后倾时脚趾球、足弓和脚跟区域的传感器响应。

Figure 7. 石墨烯- PDMS泡沫传感器在足部解剖和人体运动监测中的应用：(a)比较低足弓/扁平足与中等足弓生物力学效率的图像；(b)比较两种不同足型获得的SSA压力响应；(c)传感器对食指轻弹的响应；(d)传感器对手腕轻弹的响应。

相关研究成果于2019年由格罗宁根大学Ajay Giri Prakash Kottapalli课题组，发表在ACS Applied Materials & Interfaces (https://doi.org/10.1021/acsami.9b11776)上。原文：Ultra-light weight and 3D squeezable graphene-polydimethylsiloxane composite foams as piezoresistive sensors。

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