纸基柔性传感器可穿戴设备在人体运动中的应用

纸基柔性材料是一种新型材料,其具有轻便性、高延展性能。柔性可穿戴设备由柔性材料制作而成,有轻便、舒适性高、应用范围较广等优点,有望弥补传统的可穿戴设备的不足,被广泛应用于各领域中。国内外有不少文献报道用纸基柔性材料制备的柔性可穿戴设备应用领域。相较于传统设备,它们不仅在用户体验舒适度方面取得巨大突破,还在功能上得到延伸创新以满足多种临床应用场景的需求。基于此,简单介绍纸基柔性可穿戴设备的工作原理及分类,并围绕人们的运动、居家康复、健康检测等几个方面阐述近年来柔性可穿戴设备在康复领域中的研究进展。

柔性电子材料在可穿戴设备中的研究进展

在电子技术与现代纺织技术融合的背景下,更加柔性、传输信号更加灵敏精准、监控范围更加广泛的可穿戴设备成为研究热点,为此,研究人员着力于开发新型柔性电子材料。文章简要总结了可穿戴设备中所用新型柔性电子材料的研究进展,重点介绍了柔性传感材料、导电材料、供电材料的研究现状及发展方向,同时指出了目前柔性电子材料在制备过程及成品性能方面存在的不足及未来研究趋势。

柔性电子技术在可穿戴设备中的应用

为了更好地满足人们对可穿戴设备的需要,可灵活设计的设备应运而生。柔性电子技术由于其独特的优点,使得它在未来的智能电子设备中得到了广泛应用。随着人工智能、物联网、大数据等新兴科技的迅猛发展,柔性电子产品已被越来越多地用于医疗、可穿戴、人机互动、智慧家庭等领域。而且随着其迅速发展,使用范围也越来越广。本文通过对柔性电子设备的发展历程进行系统研究,预测了柔性电子设备在可穿戴式电子设备方面的发展方向。

纤维基可穿戴电子设备的研究进展

为促进纤维基柔性可穿戴电子产品的发展,推动柔性可穿戴电子产品的更新换代,带动传统纺织服装行业的转型升级,归纳了近几年柔性纤维基可穿戴电子设备的研究进展,并对其进行系统分类,包括传感器、能量收集储存设备和其他功能性电子设备;讨论了目前纤维基可穿戴电子设备中存在的问题和面临的困境;指出多领域交叉综合、电子集成以形成系统、对人体安全无危险、可洗且穿着舒适是柔性纤维基可穿戴电子设备的发展趋势,而基于纤维或纱线基的柔性可穿戴电子设备将成为下一代多功能柔性可穿戴电子产品的发展重点。

吸湿排汗可穿戴生物医学电子设备被研发出来

据张斌斌[Nature,2024,628(8006):84-92.]报道,香港中文大学研究人员发明了电子设备能够将汗水从皮肤向外单向泵出,最大流速为11.6 mL/(cm^(2)·min),是运动时生理出汗率的4 000倍,从而确保了在出汗情况下也能进行持续稳定的监测。该研究开发了一种具有极强的吸湿排汗效率的超级可穿戴柔性电子设备,该设备轻便、可伸缩,并且大幅提高了排汗效率,解决了可穿戴生物医学设备面临的最关键问题,可提供可靠的长达1周的持续稳定生命体征监测,而不会因出汗而引起不适感或导致信号失真/中断。研究人员开发了一种从材料加工、器件架构和系统集成的角度出发的综合渗透性可穿戴电子设备开发方法,该方法基于一种自然启发的3D液体二极管(3D LD)配置,其表面结构能够促进液体在特定方向上的自发流动。

纳米纤维素基柔性导电薄膜的构筑及其在柔性电子器件中的应用研究进展

纳米纤维素(NC)因具有高比表面积、优异的力学性能、出色的热稳定性和可生物降解性,是柔性储能设备电极材料的理想候选者。在柔性电子器件的应用中,通常将NC与导电材料结合以提高其导电性。本文从NC的结构特点出发,综述了NC基导电薄膜的形成及其在柔性电子器件的应用,总结分析了NC基导电薄膜在实际应用中存在的问题和挑战,并对其未来的研究方向进行展望。

基于纳米发电机的触觉传感在柔性可穿戴电子设备中的研究与应用

柔性可穿戴电子设备因其在人工智能、健康医疗等领域的应用而受到了人们的极大关注.然而,如何降低功耗或实现自供能一直是阻碍其广泛应用的瓶颈.随着纳米发电机与自驱动技术的兴起,尤其以摩擦纳米发电机(TENG)与压电纳米发电机(PENG)代表的研究,为解决可穿戴传感器电源的问题提供了可行的方案.TENG和PENG分别基于摩擦起电效应与压电效应,可以将机械能转化为电能,同时具备可拉伸性、生物相容性和自愈性等优良特性,已经广泛应用于自驱动的触觉传感器的设计制备中,并作为下一代可穿戴电子设备的技术基础展现出巨大的应用潜力.基于该领域的最新进展,本文对TENG与PENG的机理进行概述,对其性能优化途径进行归纳,再结合材料、器件的设计等讨论应力应变与分布、滑移等纳米发电机自驱动传感器的制备与应用研究.最后,对自驱动触觉传感器目前存在的问题与挑战进行讨论,并对未来的发展进行展望.

基于纤维素的可穿戴电子设备研究进展

综述了纤维素基可穿戴电子设备作为人体"第二皮肤"近期取得的研究进展,尤其是在医疗保健领域,"第二皮肤"的发展和应用将会是人们实现健康管理和动态治疗的有效途径。指出了"第二皮肤"的固有特点:一是能很好地与人体合二为一;二是具有优于人体皮肤的属性。分别从可拉伸性、自供电、热管理和透气性四个方面分析了"第二皮肤"成为新一代智能健康终端的开发潜力。针对人体疾病的预防和治疗,举例阐述了"第二皮肤"中实时监测功能所蕴含的医用价值,同时总结了"第二皮肤"在药物输送方面所具有的独特优势。最后,探讨了目前"第二皮肤"研究面临的挑战,并对"第二皮肤"的发展趋势进行了展望。

基于碳纤维浆料的柔性薄膜弯曲传感器制备与研究

以碳纤维粉末为功能性填料和乙基纤维素为胶粘剂,开发了一种低成本碳基传感浆料,将碳纤维浆料直接刮涂至聚酰亚胺薄膜表面而形成碳纤维传感层,在以铜箔为电极,制备出结构简单的碳纤维弯曲传感器。同时,探究了碳纤维含量对弯曲传感器性能的影响。结果表明:当碳纤维含量为0.02 g·mL^(-1)时,碳纤维粉末被乙基纤维素完全包覆,难以形成导电通路,无弯曲传感特性;随着碳纤维含量的逐渐增加,碳纤维膜内部形成良好的导电通路,随之产生大量的孔洞甚至微裂纹,有利于传感器精准识别不同弯曲角度,并且具有双向识别特性。通过进一步深入探究碳纤维含量对弯曲传感器的迟滞性和稳定性的影响发现,当碳纤维含量为0.04 g·mL^(-1)时,弯曲传感器具有较小的迟滞性、优异的稳定性和机械耐久性。

基于聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)掺杂聚(苯乙烯磺酸)的柔性织物电极的研究进展

介绍了基于聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)导电聚合物掺杂聚(苯乙烯磺酸)的柔性织物电极的常用制备方法,评估了各方法的优缺点。概述了基于聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)掺杂聚(苯乙烯磺酸)的织物电极在能源存储、心电图监测、电子传感和电磁屏蔽等领域的应用。此外,还分析了织物基电极在能源储存方面所面临的挑战,并进行了展望。

基于微型振子阵列的可穿戴触觉电视的研发

盲人因视觉障碍无法通过光学获取信息,本文基于换能原理设计了一种触觉电视,可把图像数据转换为振动数据,使人体通过皮肤触觉作为媒介接收信息,可帮助盲人使用触觉感知周围事物和图像信息。

纱线基柔性应变传感器及可穿戴应用研究进展

柔性应变传感器因其具有质轻柔软、可拉伸等特点,在人机交互和智能可穿戴领域受到广泛关注。纱线基传感器由于其结构可变化性和组合可设计性等优点,成为智能可穿戴领域的的重要研究方向。然而,目前纱线基传感器存在分类不清晰、应用领域不明确等问题。因此,为了系统分析纱线基柔性应变传感器在可穿戴领域的研究现状,从纱线的构成出发,将纱线基传感器分为短纤纱基、长丝基、包芯纱基和股线基四类导电网络,并介绍了各类型传感器的制备方法与应用前景。此外,还对传感器的机械性能和传感性能进行了比较总结,发现纱线的构成方式与传感器稳定性、应变范围和传感性能之间存在着密切关系。

纤维及织物基柔性可穿戴器件研究进展

近年来,随着智能技术的迅速发展,可穿戴器件逐渐成为研究热点。在实际应用中,柔性的可穿戴器件具有更广阔的应用前景,尤其是以纤维和织物为基底制作的柔性器件为解决穿着舒适性、耐水洗性不佳及三维形变时与人体贴合性差等问题提供了基础,同时符合绿色环保的理念,具有现实的研究意义。本文介绍了几种典型的柔性可穿戴器件,并简要回顾了可穿戴设备的柔性化进程;概述了以纤维、织物为基底的柔性可穿戴器件的制备方法;对纤维/织物基器件进行了分类并综述了在柔性传感器、柔性能源器件、柔性电极等领域的最新应用,指出随着材料科学、纺织技术和微电子技术的融合发展,通过系统设计和一体成型构建纺织结构柔性器件是穿戴式产品进一步发展的客观需求和必然趋势。

纤维基柔性可拉伸电子器件的研究进展

探讨几种纤维基柔性可拉伸电子器件在可穿戴领域的研究进展。分析了不同材料及结构的纤维基柔性可拉伸电子器件,包括柔性传感器、柔性可穿戴热设备、柔性储能装置、柔性能量转换装置在可穿戴领域应用的最新进展,并展望了应用前景。认为:通过引入纳米功能材料,以及利用实用高效的编织复合技术,可以赋予纤维基柔性可拉伸电子器件更好的性能。

柔性纤维基触觉传感器研究进展

近年来,随着智能传感技术的迅速发展,柔性传感器已成为研究人员的重点关注对象,其可潜在广泛应用于医疗保健、生物医学、工业机器人、航空航天、环境监测等前沿领域。与近年来兴起的柔性平面型触觉传感器相比,柔性纤维基触觉传感器具有重量轻、柔韧性好、透气性强等优点,尤其是其纤维型器件形式使其更加容易地集成到纺织服装当中,展现出透气和舒适穿戴的特性,这对于实现穿戴式健康监测和运动识别至关重要。本文综述了纤维基柔性触觉传感器的最新研究进展,首先概述了触觉传感器的四类工作原理并比较了优缺点,其次总结了能够满足特殊的纤维型器件形式需求的纤维基触觉传感器的结构设计理念、功能材料形式以及配套的制备方法,然后基于不同纤维基底种类全面介绍了柔性纤维基触觉传感器在电子皮肤、人体运动捕捉、保健与康复、生理活动监测和人机交互等方面的具体应用研究工作,最后对柔性纤维基触觉传感器研发所面临的机遇与挑战进行了总结与展望。

可穿戴电子设备及软机器人制造工艺的研究现状

回顾了用于制造可穿戴电子设备及软机器人的材料及制造工艺。总结了应用于可穿戴电子设备及软机器人制造的各种制造工艺,它们都是将用于实现各功能的元器件通过制造工艺集成在柔性基体或基板中,这些工艺包括新纳米材料技术、转印技术、形状沉积制造和软光刻技术。描述了这些工艺的特点,同时指出它们将朝着三维立体化、标准化及工业化的方向发展。为选择可穿戴电子设备及软机器人的制造工艺并开发新工艺提供了参考,从而能设计制造出新型的柔性设备。

纳米纤维素改性及其在柔性电子方面的应用

近年来,随着全球气候的改变和资源短缺,环境友好的可再生材料受到了广泛关注。纤维素广泛存在于自然界中,是一种绿色的可再生资源。通过化学、机械、酶解等方法处理纤维原料制得的纳米纤维素(Cellulose nanofibrils,CNF)具有比表面积大、长径比高、结晶度高、透明、成膜性好和可降解等优良的性质,在绿色柔性电子材料领域表现出极大的应用潜力。然而,纳米纤维素的发展及应用过程中仍存在以下问题;(1)从天然纤维素中分离纳米纤维素的制备周期长、能耗大、成本高,目前这些问题导致其大规模化生产还面临挑战;(2)纳米纤维素比表面积大,易于团聚,在非极性有机溶剂中的分散性差,在与聚合物复合应用中有一定困难;(3)纳米纤维素的表面活性基团主要是羟基,功能性单一,这限制了纳米纤维素的应用;(4)纳米纤维素在柔性电子材料应用中的某些性能如耐折性、水氧阻隔性、防水性、耐候性和耐热性等还需进一步提高。国内外对于纳米纤维素的制备、改性及在柔性电子材料方面的应用研究主要集中于:(1)通过探索新型高效环保溶剂体系制备纳米纤维素,缩短制备周期,制备过程绿色环保。(2)目前,纳米纤维素的改性及在柔性电子领域的应用主要在于如何提高其热学性能、分散性及与其他复合材料的兼容性等方面。通过小分子化学反应,引入的乙酰基等基团可有效增强其疏水性、在非极性溶剂中的分散性及热学性能;通过聚合接枝反应,可以改善其在有机溶剂中的分散性能,还能根据所接物质的不同,实现纳米纤维素的功能化改性;物理吸附改性使其疏水性增强,分散性提高。(3)纳米纤维素在有机发光器二极管、太阳能电池、超级电容器、无线射频识别、触摸屏、晶体管等柔性电子材料中具有巨大的应用前景,需对其研究现状进行系统阐述。本文综述了纳米纤维素的制备原理和方法,为扩大其应用范围,重点概括了CNF的酯化、酰胺化、离子络合、阳离子化、聚合物接枝和表面活性剂吸附等多种改性方法,并对CNF作为绿色电子新材料在有机发光器件、太阳能电池、超级电容器、无线射频识别、触摸屏、晶体管等柔性电子材料中的研究现状进行了总结,分析了该领域存在的问题,展望了其发展前景。

碳和金属纳米材料基柔性应力传感器及其可穿戴应用

简述了碳和金属纳米材料基柔性应力传感器的材料、结构和制备工艺,以及在可穿戴电子设备中应用的研究现状。重点介绍了碳和金属纳米材料基柔性应力传感器灵敏度、稳定性及响应时间等性能的研究进展和阻碍因素,并探讨了传感器的能耗和自供电问题。通过多孔碳纳米材料、碳纳米材料与柔性纤维复合材料以及设计的具有分层结构的金属纳米材料基传感元件的制备,可实现传感器对微小应力的高灵敏度、高稳定性以及快速响应。最后给出了碳和金属纳米材料基柔性应力传感器在可穿戴电子设备中的应用,并对柔性应力传感元件材料的发展方向进行了展望。

柔性导电纤维在智能可穿戴装备中的研究进展

服装作为智能可穿戴设备的理想载体,其在满足质轻、高柔韧性、导电功能等市场需求的同时,也使柔性导电纤维得到了广泛关注并取得了实质性研究进展。文章回顾了以往对柔性电极的相关研究,并对现阶段柔性导电纤维的原料、制备方法、应用等进行了具体介绍,最后总结并展望了柔性导电纳米纤维在智能可穿戴产品中的应用前景,并提出当前可穿戴装备在健康监管、产品性能、织物服用性等方面还需进一步研发改善。

柔性透明二维光电器件在智能化信息领域中的应用

随着新型智能化电子技术的快速发展,人们对高性能、轻薄、柔性消费型电子产品的需求日益迫切。传统的硬质硅基器件难以满足可穿戴设备、电子皮肤等领域对电子元件的特殊需求,二维(2D)材料因优异的光电性质在新兴电子产业中备受瞩目,因此开发柔性透明2D光电器件成为前沿科技中的热门研究领域。本文详细介绍了柔性透明2D光电器件中的2D材料、透明电极、柔性透明衬底/介电层等关键构成,综合论述了关于柔性透明晶体管、光电探测器、传感器、电容器等器件在可穿戴电子、透明智能显示、医疗监测等领域中的广泛应用前景。最后,总结展望了柔性透明2D光电器件目前所面临的挑战与发展前景。相信随着材料科学、纳米技术和制造工艺的不断革新与发展,柔性透明电子技术将会更加成熟、可靠,为人类生活带来更多便利和可能性。