北京权威皮肤病医院 http://pf.39.net/bdfyy/bdfjc/210403/8810613.html气流传感器作为智能电子设备的关键部件之一，能够灵敏感知外界环境的变化，在气流检测、声音识别和运动监测等领域具有巨大的应用潜力。然而，大多数传统的气流传感器刚性、笨重且灵敏度有限，不适合实际应用。因此，我们非常需要具有高灵敏度的柔性便携式气流传感器。自然界中的一些昆虫，例如蜘蛛，可以使用它们毛茸茸的腿来检测非常轻微的振动，从而快速捕捉食物并避开捕食者。苏州大学戴礼兴教授、秦传香副教授团队受蜘蛛腿绒毛系统的启发，采用静电植绒技术制造出一种超灵敏的绒毛状气流传感器。其碳纤维(CFs)均匀牢固地种植在聚乙烯醇(PVA)纤维基材的表面,该蓬松的结构赋予气流传感器卓越的性能，包括超灵敏的响应时间(0.s)、极低的气流速度检测极限(0.ms-1)、极大的气流检测范围(0.-16ms-1)，以及对气流的多向一致响应。该传感器可用于准确识别声波甚至是模仿说话而不发声的气流，并检测人或物体在不同姿势和速度下的运动。同时，这种方法还可以实现大规模、连续化制备，为用于声音识别、运动监测和残疾人援助的高性能气流传感器提供了可能性。相关工作以“Ultrasensitiveairflowsensorpreparedbyelectrostaticflockingforsoundrecognitionandmotionmonitoring”发表在《MaterialsHorizons》。仿生气流传感器制备过程作者首先将制备好的粘合剂涂在基底纤维上。随后，通过在两个电极之间施加电位，带电的CF被推向带相反电荷的基底纤维。由于静电吸引，CFs被种植在基底纤维上，从而制备出仿生气流传感器。图1(a)气流传感器制备过程示意图；(b)气流传感器在弯曲和拉直时的照片；(c)气流传感器多领域的应用。灵敏、稳定的气流传感性能仿生气流传感器的电阻在被吹动和恢复后仍能保持与原始电阻几乎相同的水平，重量也几乎不变，这表明CFs已经牢固地种植在基板上。同时，打结的传感器结解开后，传感器仍能保持原来的形状，进一步证明了传感器优异的形状稳定性、柔韧性和植绒强度。控制相同流速的气体以不同的方向吹动气流传感器，相应的电学曲线高度一致，这表明传感器对多向气流具有相似的响应。同时，传感器能检测低流速气流和高流速气流(0.-16ms-1)。在4ms-1的气流速度下，传感器的响应时间和恢复时间仅为ms和ms。这些性能都体现了该仿生气流传感器具有卓越的传感特性。研究者发现该传感机制主要基于气流下相邻CF之间的大量接触面积变化引起的接触电阻变化。图(a)CFs长度为3mm时不同植绒密度的传感器照片；(b)CFs长度为3mm时不同植绒密度下传感器的阻力和最大允许气流速度(Vm)；(c)传感器被N(10ms-1)吹气60分钟前后的照片(每10min暂停min进行测试)；(d)传感器在被气流吹动不同持续时间后对语音“你好”的响应曲线；(e)原始、打结和解开后传感器的照片。图3(a)气流传感测试装置示意图(带箭头的字母代表气流方向)；(b)传感器在气流速度为1ms-1下不同气流方向的两条循环传感曲线；(c)传感器在不同气流速度下的两条循环传感曲线；(d-e)基于(c)的放大图，传感器对气流的响应时间和恢复时间；(f)ΔR/R0与气流传感器的气流速度之间的关系；(g)在10ms-1的气流速度下次气流开/关循环期间传感器的ΔR/R0曲线；(h)与参考文献中的气流传感器相比，仿生气流传感器的检测极限、响应时间和灵敏度。图4(a)传感器对应的电路模型；(b)在低和高植绒密度下无气流(左)和气流下(右)传感器的电流图；(c)在低(0.5mgcm-)和高(1.81mgcm-)植绒密度下不同气流速度下传感器的ΔR/R0；(d)当纤维接触和分离时，基材植绒CF的ΔR/R0；(e)CFs、基板和传感器(1.81mgcm-，3mm)在不同湿度环境(50,70和90%)下放置0s的ΔR/R0。声音检测和人体运动检测仿生气流传感器能很好地识别出测试者正常发出的汉语句子或是英语句子。研究者通过进一步探究，发现在声带不振动的情况下模仿语音产生的气流也可以被传感器采集识别，并得到识别曲线。这使其有望帮助声带受损的残疾人传递信息或交流。仿生气流传感器卓越的气体传感性能也可以使人体运动监测的传感器摆脱必须粘附在人体皮肤上的限制。其可以快速准确地确定被检测者的呼吸频率和强度。同时，得益于其灵敏性，传感器可以用于测量跳绳等高速运动。图5(a-c)测试“你好”和汉语拼音字母“O”的四个声调时传感器的响应曲线；(d-g)声带不振动的情况下，模仿语音产生的气流响应曲线；(h-i)“sensor”在不同音量下重复播放3次和“苏州大学”连续单独播放时传感器的响应曲线。图6传感器的ΔR/R0曲线对(a)缓慢和微弱的呼吸，(b)快速和强烈的呼吸，(c)不同速度的跑步，(d)不同距离的跳绳，(e)蹲、站和跳，(f)以不同角度关门，以及(g)由轴驱动的连续纸张旋转。总结：研究者受蜘蛛腿绒毛系统的启发，采用静电植绒新技术制造出一种超灵敏的绒毛状气流传感器。这种独特的蓬松状结构极大地提高了传感器的灵敏度、极低的气流速度检测极限和超宽的气流检测范围。同时该材料展示了在声音识别、运动监测、健康诊断、残疾人辅助等方面的巨大应用潜力。
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来源：高分子科学前沿
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