应变检测（医用应变传感器） |当前简讯

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应变检测(应变测量)

虽然纳米复合机电传感器有望表现出合理的电导率和高灵敏度，但很少考虑从其响应中消除迟滞和应变率/频率依赖性。例如，石墨烯和聚硅氧烷的复合材料G-putty具有非常高的机电灵敏度，但由于滞后效应和与速率/频率相关的影响，其极高的粘弹性使其完全不适合用于实际传感器。此处显示G-putty可以转化为油墨，并在弹性基材上印刷成图案薄膜。印刷过程中石墨烯-聚合物相的部分分离使薄膜的电导率提高了× 106。与大体积相比，基底的机械作用在很大程度上抑制了迟滞现象，完全消除了应变率和频率依赖性。以这种方式，可以制造用于脉搏测量的具有高规格因数的实用可穿戴传感器和用于低信号振动感测的图案化传感器。

(相关资料图)

三位一体物理学院SFI先进材料和生物工程研究中心AMBER的研究人员利用其创新的G-Putty材料开发了下一代石墨烯传感技术。该团队的打印传感器的灵敏度比行业标准高50倍，被视为改变行业游戏规则的重要指标:在灵活性方面，其性能优于其他同类纳米传感器。

在不降低性能的情况下，更大限度地提高灵敏度和灵活性，使该团队的技术成为可穿戴电子设备和医疗诊断设备新兴领域的理想候选技术。

三一大学物理学院教授乔纳森·科尔曼(Jonathan Coleman)领导的研究小组是世界领先的纳米科学家之一，他们已经证明他们可以生产出一种低成本的印刷石墨烯纳米复合材料应变传感器。

附着在皮肤上的柔性应变传感器

该团队开发了一种配制G-putty基墨水的方法，这种墨水可以以薄膜的形式打印在弹性基底(包括创可贴)上，并容易附着在皮肤上。在创建和测试不同粘度(流动性)的墨水后，该团队发现他们可以根据打印技术和应用定制G-Putty墨水。

他们的研究成果发表在小型杂志上(“独立于频率和速率的高性能应变传感器的可打印G-Putty”)。

医用应变传感器

在医疗环境中，应变传感器是一种非常有价值的诊断工具，可以用来测量机械应变(如脉冲频率)的变化或脑卒中患者吞咽能力的变化。应变传感器通过检测这种机械变化并将其转换为成比例的电信号来工作，从而充当机电转换器。

虽然目前市场上有应变传感器，但它们大多由金属箔制成，在耐磨性、通用性和灵敏度方面有局限性。

科尔曼教授说，“我和我的团队曾经用橡皮筋和腻子中发现的聚合物 *** 石墨烯纳米复合材料。现在，我们已经将与石墨烯混合的高延展性腻子G-putty转化为具有优异机械和电气性能的油墨混合物。我们的油墨的优势在于，它们可以转化为使用工业印刷方法的工作设备，从丝网印刷到气溶胶和机械沉积。

气溶胶喷射沉积

使用150um喷嘴用Optomec AJ300进行气溶胶喷射印刷。

喷印的工作原理与喷射沉积类似，但有许多关键的技术差异。在气溶胶喷墨打印的情况下，墨水被超声波雾化并被惰性载气输送。然后，气溶胶被聚焦在空气体的沉积头中。该装置由环形鞘气组成，具有明显更高的分辨率。对于本工作中进行的沉积，使用冷却器将喷雾器设置为约450 mA至10摄氏度，将压板设置为90摄氏度。电流承载能力设定在10-14 sccm的范围内，并且护套的流速在65-75 sccm的范围内。使用溶剂来减少低沸点的影响，起泡器充满氯仿以在打印时稳定墨水。所有的指纹都是以1毫米/秒的速度进行的，要过5关才能到PDMS。

气溶胶喷雾沉积示意图。G-putty油墨由改性油墨输送和流入，由氮气流雾化并沉积在选定的基材上。墨水流速由枪体侧面的触发器调节。

气溶胶喷射沉积示意图。G-putty墨水通过超声波雾化，然后通过惰性载气输送到笔尖。然后利用二次鞘气约束羽流进行高分辨率沉积。

丝网印刷沉积示意图:去除G腻子油墨，用聚氨酯刮刀穿过印刷框在基材上方凸起的图案丝网。这种材料沉积在印刷台上的基底上。

“我们成本非常低的系统的另一个优势是，我们可以控制制造过程中各种不同的参数，这使我们能够针对需要检测微小应变的特定应用调整材料的灵敏度。”

目前全球医疗器械市场的市场趋势表明，这项研究完全在向个性化、可调节和可穿戴的传感器方向转移，这些传感器可以很容易地集成到衣服中或佩戴在皮肤上。

2020年，可穿戴医疗设备的市场价值将达到160亿美元，尤其是远程患者监护设备。其可观的增长将是显著的，人们会越来越重视健身和生活方式监测。

这个团队雄心勃勃地要将科学成果转化为产品。三一物理学院的丹尼尔·奥德里斯科尔(Daniel O"Driscoll)博士补充道:“这些传感器的开发代表了可穿戴诊断设备领域的一大进步——这些设备可以以定制模式打印，并舒适地安装在患者的皮肤上，以监测皮肤状况。一系列不同的生物过程。

“我们目前正在探索监测实时呼吸和脉搏、关节运动和步态以及妊娠早期分娩的应用。因为我们的传感器具有高灵敏度、稳定性和宽传感范围，并且可以在柔性和可磨损的基底上印刷定制的图案，所以我们可以根据实际应用定制传感器。生产这些设备的方法成本低，易于扩展，这是生产广泛使用的诊断设备的基本标准。”

基于这些结果，科尔曼教授最近获得了欧洲研究委员会的概念验证资助，从而开始开发商业产品的原型。该小组的最终目标是确定潜在的投资者和行业合作伙伴，并围绕娱乐和医疗应用领域的技术形成衍生产品。

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