高灵敏度应变传感器可检测羽毛的重量

该应变传感器是由萨塞克斯大学材料物理小组开发的,其拉伸强度比目前市场上的应变仪高80倍,并且其电阻变化比研究中最敏感的材料高100倍。

  6月5日报道,物理学家创造了有史以来最灵敏的应变传感器,能够检测羽毛的重量。该应变传感器是由萨塞克斯大学材料物理小组开发的,其拉伸强度比目前市场上的应变仪高80倍,并且其电阻变化比研究中最敏感的材料高100倍。这些传感器可以为可测量患者生命体征的可穿戴技术、监视建筑物和桥梁结构完整性的系统带来新的灵敏度。

拉伸和扭曲超灵敏应变传感器。.jpg

拉伸和扭曲超灵敏应变传感器。

  萨塞克斯大学数学与物理科学学院的马库斯·奥玛拉(Marcus O'Mara)说:“下一波应变传感技术使用了诸如橡胶之类的弹性材料,并注入了诸如石墨烯或银纳米粒子之类的导电材料,我们相信这些传感器是向前迈出的一大步。与科学文献中引用的线性和非线性应变传感器相比,我们的传感器展现出有史以来最大的电阻绝对变化。”

  萨塞克斯大学实验物理教授艾伦·道尔顿(Alan Dalton)表示:“这项有前途的技术在医疗保健、运动表现监测等成熟领域以及诸如软机器人等快速发展的领域中可能特别有用。我们的研究开发了廉价、可扩展的健康监测设备,可以对其进行校准,以测量从人体关节运动到生命监护的所有内容,可以在患者的身体上使用多种设备,无线连接并相互通信以提供实时移动健康诊断,费用仅为目前的一小部分。”

  这份发表在《高级功能材料》杂志上的新论文详细介绍了将大量石墨烯纳米片以结构化、可控制的方式并入PDMS基质中的过程,从而获得了出色的机电性能。

高倍率下G球的扫描电子显微镜(SEM)图像。图片来源:萨塞克斯大学.jpg

高倍率下G球的扫描电子显微镜(SEM)图像。图片来源:萨塞克斯大学

  据悉,该方法具有扩展到二维层状材料和聚合物基质的广泛潜力,传感器在所有测得的载荷水平下均提供了大大提高的电导率,而没有明显的渗漏阈值。商用量规设备的灵敏度和应变范围相对较低,应变系数范围为2-5,最大应变为5%或更低,导致电阻增加不到25%,并阻止了人体运动所需的高应变感测监控。

  新传感器能够检测到小于0.1%的应变,这是因为它们的应变系数更高,约为20,而应变高达80%,其中指数响应导致电阻变化超过一百万。这样既可以进行高灵敏度的低应变感测,以进行脉冲监测,又可以对因记录电阻变化而导致的胸部运动和关节弯曲进行高应变测量。

  萨塞克斯大学材料物理研究所研究员肖恩·奥吉尔维(Sean Ogilvie)博士说:“通常基于金属箔规的商业应变传感器,其精度和可靠性超过灵敏度和应变范围。纳米复合材料是下一代应变传感器的有吸引力的候选产品,尽管它们具有弹性,但是由于纳米级聚合物的液体性质、非线性效应(例如磁滞和蠕变)阻碍了工业的广泛采用,这使得精确、可重复的应变读数成为一项持续的挑战。我们的传感器以一种可重复的、可预测的模式稳定下来,这意味着尽管有这些影响,我们仍然可以提取出应变的准确读数。”

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