作物茎秆膨胀收缩监测柔性可穿戴传感器研制与试验

作物茎秆膨胀和收缩变化与其水分状态密切相关,实时监测茎秆的膨胀和收缩变化能够及时掌握作物水分状态,对指导灌溉、提高农业水资源利用率具有重要意义。目前,对于作物茎秆膨胀和收缩变化的监测主要采用基于线性微位移测量原理的传感器,通过测量茎秆的膨胀和收缩引起的位移变化来反映水分状态,存在体积大、价格高、安装不便等问题。为此,该研究提出了一种基于压阻效应的柔性可穿戴传感器,采用柔性压力电极作为传感元件,贴附在作物茎秆表面,通过监测茎秆膨胀和收缩引起的压力变化来反映作物的水分状态,压力检测电路和数据采集电路将作物茎秆的压力信号转换成电信号进行输出和存储。首先在实验室环境下对传感器性能进行测试和标定,然后在温室环境下将传感器安装在番茄茎秆上观测番茄茎秆的压力变化,并与线性微位移传感器观测结果进行比较,最后在充分灌溉和水分亏缺2种条件下观测番茄茎秆的膨胀和收缩变化。结果表明,柔性压力传感器稳定性测试的平均相对变化率为0.109%;弯折前后引起的输出变化非常小,可以忽略不计;标定结果的决定系数大于0.99,最合适的工作压力范围为2~100 kPa;实验室环境下,柔性压力传感器与线性微位移传感器输出值之间的决定系数为0.9551;温室环境下,充分灌溉组中柔性压力传感器与线性微位移传感器输出值变化趋势一致,两者之间的决定系数为0.7672,亏缺灌溉组中两类传感器输出值均因水分亏缺而呈现下降趋势,输出值之间的决定系数为0.8519。本文所设计的柔性可穿戴压力传感器不仅能够实时监测番茄茎秆的膨胀和收缩变化,还可以对番茄亏水胁迫进行诊断,为实现高效节水灌溉提供重要的技术支撑。

一维结构可穿戴柔性传感器研究进展

随着智能可穿戴技术的发展,人们对智能化、多功能、易携带的可穿戴设备需求日益增长,可穿戴柔性传感器受到广泛关注并逐渐成为柔性电子领域的研究热点。一维结构柔性传感器具备优异适形性、高集成度和性能稳定等优势,有助于开发高性能、可连续生产、多场景应用的可穿戴柔性电子产品。文章分析了用于一维结构穿戴柔性传感器的导电敏感材料和柔性基底材料,对一维结构穿戴柔性传感器的制备工艺进行划分,从表面涂层、纤维制备以及结构变化方面总结了各种一维结构穿戴柔性传感器的设计和应用。文章讨论了一维结构柔性传感器当前研究中需要突破的工作,对其在可穿戴应用领域的发展前景提出展望,为相关可穿戴柔性器件的研究提供理论价值和工程参考意义。

凝胶复合材料柔性可穿戴传感器研究

水凝胶和离子凝胶具有高可拉伸性和优异透明度,是一种理想柔性传感器制备原料,与导电材料复合后导电性能大大提高。凝胶复合材料具有较强形状可塑性,可通过改变表面微结构提高传感器件灵敏度。综述水凝胶和离子凝胶及复合材料研究现状,列举其在柔性可穿戴力学传感器、电化学生物传感器及温、湿度传感器等方面的应用,为后续在柔性通信设备、生物医疗监护等领域的应用提供参考。

导电水凝胶在柔性可穿戴传感器的应用研究进展

目的概述导电水凝胶在柔性可穿戴传感器方面的研究情况,挖掘其作为传感器件的应用潜能。方法查阅大量相关的文献,对导电水凝胶在柔性可穿戴传感领域的最新进展进行归纳与总结。按水凝胶网络分类的4种导电水凝胶,总结归纳其设计、合成、结构和潜在应用。讨论导电水凝胶的导电性、力学性能、黏附性、防冻性能、自愈性能和各式响应性等功能性能的影响因素,总结自黏性、防冻性、自修复和其他多种优秀性能的柔性可穿戴传感器。结论导电水凝胶是一种具有多功能的独特刺激响应性的功能材料,在柔性可穿戴传感领域进行深入探究具有重大意义。

面向汗液的可穿戴柔性电化学传感器研究进展

汗液中含有人体诸多生理信息,如电解质、代谢物、激素、温度等。基于汗液的可穿戴式传感器可对多模态生物指标实现分子层面上的实时、连续、非侵入式监测,在运动感知、疾病预防以及健康管理等领域具有重大发展潜力,而被广泛研究。本文阐述了可穿戴汗液传感器集成结构中基底、集汗、传感、电源和决策五大模块,着重强调了纳米结构(如金属基、碳基等材料)在电化学传感敏感材料中表现出的优异性能及应用,最后讨论了可穿戴汗液传感器在微量汗液收集及多参数传感中物理化学变量的可变性等方面存在的挑战。针对汗液收集和实时校准两个关键问题,提出可穿戴汗液传感未来发展方向包括仿生微流控技术和多参数反馈调控方法,实现微量汗液高效收集及精确检测,将有效推动汗液传感在慢性重大疾病实时预警的应用和发展。

柔性可穿戴传感器用于心血管疾病监测的研究进展

心血管疾病在我国的发病率和死亡率均处首位,并且呈现持续上升和年轻化的趋势,已成为重大的公共卫生问题。近年来,柔性电子技术在医疗健康领域得到广泛应用,为多种疾病的早期诊断和精细管理提供了新的途径。尤其是对于具有急起病、常复发、易隐匿等特点的心血管疾病,柔性电子技术能够显著提高可穿戴传感器的佩戴舒适性和监测准确性。结合柔性电子和可穿戴传感器的发展趋势,在介绍可穿戴心血管传感技术分类和原理的基础上,综述其在监测心率、血压、血流、血氧饱和度等心血管疾病重要指标的研究进展,探讨柔性可穿戴传感器在心血管诊疗领域所面临的挑战和需要解决的问题,并展望了相应的发展方向。

面向人体运动检测的水凝胶基柔性应变传感器设计

在可穿戴电子设备迅猛发展的背景下,构建面向人体运动检测的可穿戴柔性应变传感器成为目前传感器研究的重点之一。基于聚丙烯酰胺(PAM)、纤维素纳米晶(CNCs)、单宁酸(TA)构建了一种导电水凝胶基柔性应变传感器。机械性能与电学性能测试结果表明,相较于其他柔性应变传感器,聚丙烯酰胺-纤维素纳米晶-单宁酸导电水凝胶基柔性应变传感器具有超长的拉伸范围(0%~2 900%)、较好的黏附性、快速的响应时间(280 ms)和良好的稳定性(超320次加载-卸载循环)。该传感器对人体关节弯曲的大应变与喉部活动的小应变等运动信号具备良好的检测功能,可用作人体运动检测的柔性可穿戴传感器。

柔性汗液传感器的研究及其应用进展

可穿戴传感器以独特的监测模式(实时、连续、非侵入性)在医疗、体育、健康监测等领域得到了迅速发展。汗液中含有多种生物标记物,如代谢物、电解质和各种激素等。汗液可以反映人体的劳累程度、疾病、压力水平、运动情况等,与可穿戴技术相结合,汗液传感器有望实现低成本、实时、原位的汗液监测。本文从柔性汗液传感器的基底材料种类入手,介绍了近年来汗液传感器常用的基底材料,并概述了柔性汗液传感器在监测方面的应用。最后,总结了目前存在的局限性及对未来发展的展望。

纺织基柔性触觉传感器及可穿戴应用进展

触觉传感器是智能可穿戴设备和人机交互领域的重要研究方向,引起了人们广泛的关注。传统刚性材料的触觉传感器普遍存在坚硬且不适合穿戴交互等瓶颈问题,限制了其在可穿戴领域的应用。纺织基柔性触觉传感器由于其高灵敏性、柔软性和可穿戴性成为触觉传感材料的首选。本文综述了几类纺织基柔性触觉传感器的原理和应用,包括电阻式、电容式、压电式和摩擦电式。结果表明:纺织基柔性触觉传感器由于其特殊的纺织结构,有优异的线性度、灵敏度、耐久性和稳定性。高灵敏性、耐久性和可穿戴性是纺织基柔性触觉传感器的优势和重要发展方向。

基于柔性薄膜的多参数高灵敏汗液传感器研究

提出一种全新的基于柔性薄膜材料的高灵敏度、多参数汗液成分分析传感器,对敏感材料的特性及高灵敏度捕获机理进行了研究分析,设计了一种抗干扰信号采集电路,最终完成传感器样品制备,并搭建测试环境,对其关键性能指标进行了测试。结果表明,汗液传感器可实现对钾离子、钠离子、葡萄糖3种汗液成分的实时监测,在检测灵敏度和抗干扰性能上达到较好水平,与传统的检测仪器或单参数汗液传感器检测方法相比,在实用性上有很大的提升。

织物基柔性传感器的研究进展

针对织物传感器多级构筑机制不明晰、传感响应性能及集成兼容性不足等问题,系统阐述了力学、温度、湿度织物传感器的传感原理、制备方法与传感性能的新进展,探讨不同柔性传感器的典型材料应用与结构构建、制备方法以及现阶段面临的挑战,并讨论传感器在运动检测、医疗健康、电子皮肤、人机交互等领域的特性应用。认为:基于材料性质、分级结构、成形工艺研究结合具体使用环境,提升织物基柔性传感器的信号稳定、灵敏度、环境适应性及可扩展性是重点发展方向。

ZnO/Ecoflex自驱动柔性压电传感器及其人体姿态监测微系统设计

压力传感器是可穿戴电子设备的重要组成部分,但在能量供应、灵活性和皮肤适应性方面仍存在各种问题。研制了一种主要由ZnO/Ecoflex复合薄膜构成的自驱动柔性压力传感器,并构建了人体姿态监测系统,可用于动态监测人体姿态信号和其他运动参数。在外部压力应力的作用下,所制备的传感器表现出优异的灵敏度(0.068 V/N)、良好的线性度(约0.98)、宽的测量范围(5~80 N)以及卓越的耐久性(超过10000次循环)。此外,基于制备的传感器设计了硬件电路,建立了人机交互测试系统,实现了对人体姿态信号的远程传输功能。因此,这项工作不仅开发了一种新型的无铅化自驱动压力传感器,还设计了人体姿态监测微系统,为信号处理和智能传感提供了新思路,在医学研究、个性化识别和人机交互方面具有重要的应用潜力。

基于静电纺纳米纤维的柔性可穿戴压力传感器的研究进展

柔性可穿戴压力传感器具有舒适性高、可编织性强以及可模仿人类皮肤对外界刺激做出敏锐的感知和响应等独特性能,可作为人工电子皮肤被广泛应用于医疗检测、疾病诊断、人体运动跟踪以及健康监测等领域。近年来,基于柔性可穿戴压力传感器的设计、构筑、性能探究和开发受到研究者的广泛关注。利用静电纺丝法制得的纳米纤维膜具有孔隙率高、比表面积大、易于功能化改性等优点,使其在柔性传感器构筑领域展现出极大的应用潜力。基于此,本文对静电纺纳米纤维在柔性可穿戴压力传感器方面的研究及进展进行了综述。简要介绍了可穿戴压力传感器的特点,阐述了静电纺丝技术及静电纺纳米纤维在制备柔性可穿戴压力传感器方面的优势,重点讨论了基于静电纺的柔性可穿戴压力传感器在不同领域的研究应用,最后对低成本制造具有高分辨率、高灵敏度、精确的响应性的基于静电纺的柔性可穿戴压力传感器研究做了总结和展望。

导电纤维基柔性传感器的研究进展

柔性传感器优异的柔曲性使其能够轻松地实现与服装的无缝缝合,在智能纺织品领域具有广阔的发展空间。通过对导电纤维与导电纤维基柔性传感器相关文献的梳理总结,阐述了导电纤维与导电纤维基柔性传感器的分类、用途。

柔性可穿戴湿度传感器的研究进展

柔性可穿戴智能设备如智能手表、手环等在日常生活中发挥着重要作用,尤其是在医疗保健和运动监测等方面。传统刚性湿度传感器件存在柔韧性差、体积庞大、质量大以及需要传统电池供电等缺陷,无法与人体力学相匹配,因而不能检测皮肤表明湿度变化,柔性可穿戴乃至可自供电的新型湿度传感器是传统湿度传感器的有效替代品。柔性可穿戴湿度传感器的吸湿主要依靠水分子的物理、化学吸附机制。湿敏材料主要有有机高聚物及无机低分子物。柔性可穿戴湿度传感器可分为电阻式、电容式、电压式湿度传感器。电阻式湿度传感器的电阻随环境湿度、交流频率的增加而逐渐减小,且灵敏度降低,但其具有良好的可重复使用性;电容式湿度传感器的电容随着湿度的增加而增大,响应恢复性和耐久性好;电压式湿度传感器既可以作为电压传感器使用,又可利用湿气发电,其电压随着湿度的增加而减小,响应恢复时间短,可循环使用性强。3种柔性湿度传感器在人体健康监测和环境湿度检测调控等方面具有重要作用。

激光诱导石墨烯柔性可穿戴传感器的研究进展

柔性可穿戴传感器因柔软轻便、延展性强且可用于健康管理、环境监测、食品检测、储能器件等领域而备受关注,基于激光诱导石墨烯的柔性可穿戴传感器克服了传统可穿戴设备的不足,其制备过程具有单步原位制备、绿色环保、低成本等优势,符合新型便携式/可穿戴电子产品向着智能化、微型化、高集成度、柔性化方向发展的趋势,具有良好的发展前景。本文首先阐述了石墨烯的传统制备工艺与激光诱导石墨烯的优缺点;然后分析了碳前体、激光器类型、激光参数、掺杂改性等影响因素对激光诱导石墨烯的结构和性能的影响;接着介绍了激光诱导石墨烯在柔性应变传感器、柔性生理传感器、柔性化学传感器等方面的应用研究;最后,对其应用前景进行了展望。

导电纱线及柔性传感器在智能可穿戴设备中的应用

在智能可穿戴装置的发展中,导电纱线作为柔性传感器的制作材料起着决定性作用。导电纱线制备柔性传感器不仅具有轻薄、便携的优点,还能附着在人体皮肤表面,具有良好的生物兼容性,对于柔性传感器来说是不可或缺的。柔性传感器的高灵敏性以及可靠性与可拉伸衬底结合是可穿戴柔性智能产品的主要发展方向。文章重点介绍导电纱线的制备方法、导电纤维基柔性传感器及其在智能可穿戴设备应用方面的研究进展。

Ti_(3)C_(2)T_(x)基柔性可穿戴氨气传感器的开发

针对传统的氨气传感器便携性差、柔韧性低、无法与织物结合实现可穿戴等问题,提出了一种柔性氨气传感器的制备策略,采用聚酰亚胺作为柔性衬底,金作为导电电极,将敏感材料Ti_(3)C_(2)T_(x)纳米片涂覆于金电极上构筑得到Ti_(3)C_(2)T_(x)基氨气传感器。该传感器可实现在室温下高灵敏度检测氨气,最低检测限为0.1×10^(-6),且在0.1×10^(-6)~50×10^(-6)内具有良好的线性响应。多次弯折大于90°下材料无脱落及裂纹情况,表明传感器具有良好的柔韧性与抗弯折性。该性能有利于将传感器集成于防护服,可应用于石化现场日常巡检、泄漏检测、异味溯源等安防领域。Ti_(3)C_(2)T_(x)基氨气传感器的构建为新型柔性可穿戴传感器的发展提供了新的方向。

镓基液态金属柔性应变传感器的设计优化与实验验证

为了描述传感器微通道结构对传感器输出特性的影响,本文引入传感器横纵微通道长度关系的参数横纵比,综合考虑传感器中垂直和平行于应变方向的微通道中液态金属在应变下的电阻变化规律,建立了镓基液态金属柔性应变传感器数学模型。根据建立的数学模型,优化设计并制备了5种应变传感器样品,在40%应变范围内进行实验。结果表明本文建立的数学模型可以良好地预测不同微通道结构传感器的输出,并为设计优化高灵敏度传感器提供了方向。实验测试结果表明设计的应变传感器在40%应变时的灵敏度为2.01、滞后度为5.1%,且重复性和输出稳定性较高。将设计的传感器用于手指、手肘的关节运动检测,探索了镓基液态金属柔性应变传感器在关节运动检测方面的应用。本文为镓基液态金属柔性应变传感器在可穿戴领域中的应用提供了理论支持。

基于聚二甲基硅氧烷柔性可穿戴传感器研究进展

传统的电子应变传感器大多基于金属和半导体材料,其柔韧性和可穿戴特性较差。随着柔性电子材料的发展,可穿戴式柔性应变传感器呈现出巨大的市场前景。由于其具有生物相容性好同时兼具可穿戴性、高弹性和可拉伸性等特点逐渐成为研究热点。本文对近些年基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)的压阻式和电容式柔性传感器的先进制备技术、性能及应用方面的研究进展进行了综述。最后对可穿戴式柔性传感器所面临的挑战做了简单讨论,并对其未来的发展方向进行了展望。