多点皮肤寻找功能可拉伸自皮肤皮肤安装的主动式离子凝胶传感器

　　【科研摘要】
　　肌肉功能评估是评估老年人健康状况、评估运动功能和指导康复训练的重要指标，这也对具有卓越量化、准确性和可靠性的机械传感器提出了迫切要求。为了克服传统金属电极的刚性和脆弱性， 中南大学湘雅医院 李宇晟骨科副主任医师 、中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所李舟研究员 团队合成了一种具有大变形容限和快速自愈能力的离子水凝胶 。
　　他们提出了一种基于静电感应和静电耦合原理的可拉伸、自愈和皮肤安装（Triple S）有源传感器（TSAS）。皮肤模量匹配的 TSAS 提供出色的传感特性：最大输出电压为 78.44 V，最小检测限为 0.2 mN，响应时间为 1.03 ms，信噪比高，长期服务稳定性出色。 在手臂肌肉训练中，TSAS可以同时获取肱二头肌和肱三头肌的功能信号以及弯曲角度的关节灵巧度。信号也可以无线发送到终端进行分析。TSAS具有高灵敏度、可靠、方便、低成本等特点，显示出其成为下一代肌肉功能实时评估和康复训练程序的潜力。相关论文以题为 Stretchable, Self-Healing, and Skin-Mounted Active Sensor for Multipoint Muscle Function Assessment 发表在《ACS Nano》上。
　　【主图导读】
　　图 1. 用于评估肌肉功能的 TSAS 示意图。 (a) TSAS 可以附着在身体的肌肉上，用于实时肌肉功能监测。(b) TSAS 可以很好地附着在肱二头肌上。(c) TSAS 的设计尺寸为 3 cm × 5 cm。(d) TSAS 的材料和整体组装。(e) 硅胶薄膜上微柱的 SEM 图像。(f) 自修复离子水凝胶的光学图像显示出优异的透明度和拉伸性。
　　图 2. 自愈电极的设计原理和性能。 (a) 电极的自愈机制。(b) 电极自愈过程的照片。(c) 愈合区域可以承受大变形而不破裂。(d) 电极的拉伸应变-应力曲线。(e) 和 (f) 电极在不同自愈时间和自愈循环下的电导率。(f) 的插图是连接在电路中以点亮 LED 的电极。
　　图 3. TSAS 的电气特性。 (a) 设计了四种类型的摩擦层微观结构，包括无微观结构 (NM)、松散微柱 (IM)、致密微柱 (CM) 和相间微柱 (IM)。具有四种摩擦层的 TSAS 的 Voc (b) 和 Qsc (c) 曲线。(d) 具有四种摩擦层的 TSAS 的 Voc、Isc 和 Qsc 值。(e) TSAS 可以区分大米 (0.2033 mN) 和绿豆 (0.5843 mN)。(f) 用 500 Hz 的高频测试的 TSAS 的 Voc。(g) 不同自愈循环后 TSAS 的 Voc。
　　图 4. TSAS 输出电压与外加力关系的研究。 (a) TSAS工作原理示意图。(b) 一个工作循环中 Voc 和相应施加的力的曲线。(c) TSAS 在不同压力下的 Voc 曲线。标记为 i-vi 的曲线脉冲与 (c) 顶部显示的光学图像一致。(d) 当 TSAS 被 0.102 N 的总力按压时，传感器上的力分布模拟。(e) TSAS 在施力过程中接触面积变化 (ΔS) 的示意图。
　　图 5. 用于肌肉功能评估的 TSAS。 (a) TSAS 在一组手臂运动中的工作过程的示意图。(b) TSAS 用于通过无/有负载的手臂弯曲运动进行肌肉功能监测的图片。(c) TSAS 的 Voc 分别粘附在肱二头肌 (VBB)、肱三头肌 (VTB) 和肘部 (Vθ) 上。探索了无负载/有负载的两种状态。有关 VBB、VTB 和 Vθ 的电压曲线的详细信息如 (d) 所示。(e) 可以计算肌肉力量值，肘部弯曲角度。
　　参考文献 ：
　　doi.org/10.1021/acsnano.1c02010
　　版权声明： 「 水凝胶 」旨在分享学习交流高分子聚合物胶体学等领域的研究进展。编辑水平有限 ，上述仅代表个人观点。投稿，荐稿或合作请后台联系编辑。感谢各位关注！