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济大&北理《AFM》:兼具压力传感和可视化的交互式感知可穿戴设备!

 材料科学网 2022-09-25 发表于江西

编辑推荐:本文受章鱼可以感知和可视化刺激,将压力传感器和显示功能结合在同一个设备中,有利于小型化和高集成化的发展趋势。益于其优异的综合性能,在压力信息的交互感知、压力调节下视觉信息的隐藏与显示、柔性板上的反复书写和擦除等应用领域得到了探索和验证,表现出出色的应用潜力。

柔性压力传感解决了传统刚性半导体方法无法适形地适应各种不规则表面的问题,在众多领域具有广阔的应用前景。然而,大多数报道的工作只专注于优化可穿戴设备的电子读数,这需要庞大的设备或有线连接才能将它们转换为人类可识别的数据和波形形式。由于无法对直接刺激做出即时响应,限制了其在小型化、便携化、实时检测等特定场景中的应用,并导致在恶劣的外部环境下处理和传输困难。

在传感过程中结合肉眼观察到的设备可视化有助于克服依赖终端的限制,极大地增强信息交互,是一种有效的解决方案。但以往的多层结构复杂的交互设备大多是通过物理连接分离的压力传感器和显示元件来实现的,不符合当前电子设备的高密度集成要求。如何通过材料选择和结构设计开发出一种兼具两种功能和平衡性能的交互式混合设备成为研究的重点和难点。

章鱼具有类似于人类皮肤的精密压力感应能力,同时还能够通过操纵色素细胞的形态来响应外部刺激来改变其皮肤颜色。近日,济南大学李阳教授和北京理工大学沈国震教授为通讯作者,相关研究人员受此特性启发,开发了一种可穿戴交互混合设备,其配置大大简化,集压力感知和可视化于一体。这种二合一设备不仅可以将压力转换为电容信号以准确响应刺激,还可以通过电致变色效应产生可见的颜色变化。此外,作者还开发了一种智能眼镜系统,包括混合设备、微型微控制器单元(MCU)和定制的 3D 打印眼镜,用于对人体生理参数进行原位测量、显示和远程无线监测,在于医疗健康、人机界面和公共设施安全领域具有巨大发展和应用潜力。相关论文以题为“Wearable Hybrid Device Capable of Interactive Perception with Pressure Sensing and Visualization”发表在Advanced Functional Materials

论文链接:

/doi/10.1002/adfm.202203585

在本研究中,作者制备的交互式混合器件的整体结构如图1b所示,将上下 ITO/PET 电极和夹在中间的 PVA/H3PO4离子凝胶层在水平面上分成两部分(PVA/H3PO4可以提供阳离子插入到WO3薄膜中,在凝胶层和电极的界面形成离子-电子对,有利于电致变色显示和压力检测),其中内平面的电致变色区域和周围的压力感应区域使混合设备可同时准确检测和更改颜色。

1. a) 受章鱼启发的可穿戴混合设备示意图,该设备能够通过压力传感和可视化进行交互感知。b)整体结构和c)混合器件的制造过程和扫描电子显微镜图像。d) 混合设备的各种应用说明。

2. 混合设备的压力传感性能。

3. 混合器件的电致变色性能。

关于电致变色机理,图 4c描绘了在施加正负电位时器件颜色变化过程中 H +和电子的动力学特征,其中WO3层发生氧化还原反应:

在此,当施加负电位时,随着电子的移动,H +插入到WO3薄膜中,使薄膜由浅黄色变为深蓝色;同时,透射率发生了变化。相反,在正电位下,H +和电子从WO3薄膜中释放出来并恢复到初始状态,ECD恢复到初始颜色。

图4. 压力传感和电致变色机理。

图5.可视化设备的压力信息感知。

为了验证通过外部压力精确调节电致变色效应的可能性,作者通过连接ESP32 MCU和混合器件,建立了压力传感部分检测到的压力值与提供给ECD部分的电位值之间的对应关系。结果表明,随着压力逐渐增大,产生了一系列由浅色到深蓝色的颜色变化,使得背后的花纹逐渐隐藏起来。当施加相反的电位时,设备被漂白并恢复到初始状态,图像再次清晰可见。

图6.视觉信息的隐藏和显示。

图7. 用于跟踪生理参数和行为的智能集成系统。

总的来说,本研究通过分区设置和功能层的有效复用,成功开发了一种同时集成精确压力检测和可视化的可穿戴交互混合设备。该设备能够实时准确、定量地监测压力,并通过视觉信号定性地描绘不同的状态,例如易于区分的颜色变化。这项研究为结合压力传感和变色可视化的二合一混合设备铺平了道路,为未来交互式柔性电子产品的设计提供新的思路。(文:crazy材料)

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