針對個(gè)性化醫(yī)療監(jiān)護(hù)的需求，對柔性、超敏、可擠壓、可貼裝和可穿戴傳感器的需求日益增長，因此有必要探索基于納米聚合物復(fù)合材料的新型傳感器。在此，我們報(bào)道了一種敏感的3D可壓縮石墨烯-聚二甲基硅氧烷(PDMS)泡沫壓阻傳感器，該傳感器通過將多層石墨烯納米顆粒注入糖基多孔PDMS泡沫結(jié)構(gòu)中來實(shí)現(xiàn)。所制得的壓阻式泡沫塑料傳感器的靜態(tài)和動態(tài)壓縮應(yīng)變測試結(jié)果顯示，在0- 50%的應(yīng)變范圍內(nèi)，存在兩個(gè)線性響應(yīng)區(qū)域，平均應(yīng)變因子為2.87~8.77。此外，動態(tài)刺激響應(yīng)揭示了傳感器的能力，有效地跟蹤動態(tài)壓力高達(dá)70赫茲的頻率。該傳感器在36000次循環(huán)壓縮載荷和100次完整的人類步態(tài)運(yùn)動周期中顯示出很高的穩(wěn)定性。通過仿真步態(tài)模型和實(shí)時(shí)步態(tài)表征實(shí)驗(yàn)，3D傳感泡沫體可精確的對人體步態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。實(shí)時(shí)步態(tài)實(shí)驗(yàn)表明，鞋底三個(gè)位置的壓力分布信息不僅可以區(qū)分步行和跑步等不同的人類步態(tài)，還可以識別可能的跌倒情況。本論文還展示了傳感器區(qū)分足部解剖結(jié)構(gòu)的能力，如扁平足(低中心弓)和中弓腳，這是更有效的生物力學(xué)。此外，傳感器能夠感知各種基本的關(guān)節(jié)運(yùn)動反應(yīng)，證明它們適合于個(gè)性化醫(yī)療應(yīng)用。
Figure 1. 可壓縮石墨烯-PDMS泡沫傳感器的制備：(a)多層石墨烯納米薄片(MLG)滲透PDMS泡沫的示意圖；(b)具有電觸點(diǎn)的單一PDMS-MLG泡沫傳感器的示意圖：(c)石墨烯-PDMS泡沫傳感器的(c)可擠壓性和(d)超輕性。
Figure 2. 負(fù)載MLG前后PDMS泡沫的SEM圖：(a, b)不同放大倍數(shù)下未PDMS泡沫體的多孔結(jié)構(gòu)；(c, d) 載有MLG兩種不同放大倍數(shù)的PDMS泡沫，其孔壁被MLG納米薄片覆蓋，形成一個(gè)納米材料滲透網(wǎng)絡(luò)。
Figure 3. 石墨烯-PDMS泡沫傳感器中可能的應(yīng)變誘導(dǎo)電阻調(diào)制機(jī)制的示意圖：(a)傳感器中觀察到的應(yīng)變誘導(dǎo)電阻調(diào)制的導(dǎo)電域斷開機(jī)制的示意圖；(b)應(yīng)力誘導(dǎo)隧穿電阻調(diào)制的示意圖。
Figure 4.石墨烯-PDMS泡沫傳感器表征：(a)用于進(jìn)行壓阻性表征實(shí)驗(yàn)的裝置的示意圖；(b)石墨烯- PDMS泡沫傳感器的歸一化電阻隨外加壓縮應(yīng)變的變化曲線高達(dá)9.5%；(c)用于在10-50%范圍內(nèi)對較大的壓縮應(yīng)變進(jìn)行壓阻特性實(shí)驗(yàn)的裝置示意圖；(d)在不同應(yīng)變下(10% ~ 50%)，5種不同壓縮載荷下傳感器響應(yīng)歸一化電阻變化曲線圖；(e)疊加圖，顯示了傳感器在10%-50%五種不同壓縮應(yīng)變下的歸一化電阻變化；(f)柱狀圖顯示了石墨烯- PDMS泡沫傳感器在10%-50%五種不同壓縮應(yīng)變下的計(jì)算應(yīng)變因子。
Figure 5. 循環(huán)壓縮加載和動態(tài)應(yīng)變傳感特性的石墨烯泡沫塑料傳感器：(a)傳感器在5%壓縮應(yīng)變下對循環(huán)加載和卸載的響應(yīng)；(b)傳感器在10 Hz時(shí)時(shí)域響應(yīng)的曲線圖；(c)在35 Hz和70 Hz時(shí)傳感器響應(yīng)的FFT振幅圖。
Figure 6. 石墨烯- PDMS泡沫傳感器在人體步態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用：(a)傳感器對模擬步態(tài)的響應(yīng)圖；(b)軟鞋底傳感器組件(SSA)示意圖；(c)顯示步行時(shí)腳趾球和腳后跟區(qū)域的傳感器響應(yīng)圖；(d)顯示跑步時(shí)腳趾球、足弓和腳后跟區(qū)域的傳感器響應(yīng)圖；(e)顯示周期性前后傾時(shí)腳趾球、足弓和腳跟區(qū)域的傳感器響應(yīng)。
Figure 7. 石墨烯- PDMS泡沫傳感器在足部解剖和人體運(yùn)動監(jiān)測中的應(yīng)用：(a)比較低足弓/扁平足與中等足弓生物力學(xué)效率的圖像；(b)比較兩種不同足型獲得的SSA壓力響應(yīng)；(c)傳感器對食指輕彈的響應(yīng)；(d)傳感器對手腕輕彈的響應(yīng)。
相關(guān)研究成果于2019年由格羅寧根大學(xué)Ajay Giri Prakash Kottapalli課題組，發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces (
https://doi.org/10.1021/acsami.9b11776)上。原文：Ultra-light weight and 3D squeezable graphene-polydimethylsiloxane composite foams as piezoresistive sensors
