傳感新品

【魯東大學(xué)：基于溶劑交換策略的抗溶脹凝膠傳感器用于水下通信】

柔性可穿戴傳感器在水下應(yīng)用中具有非凡的意義，如水下運(yùn)動(dòng)監(jiān)測和海洋危險(xiǎn)求救，其中凝膠可穿戴傳感器的應(yīng)用前景十分廣闊。然而，制備具有優(yōu)異抗溶脹性能和傳感性能的水下凝膠傳感器仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。鑒于此，魯東大學(xué)徐文龍課題組的本科生科研團(tuán)隊(duì)提出了一種溶劑交換策略，誘導(dǎo)凝膠內(nèi)部疏水段在凝膠-水界面聚集，從而阻止水分子的進(jìn)入以得到抗溶脹凝膠。此外，用此方法制備的抗溶脹凝膠在水下表現(xiàn)出靈敏度高、線性度高、響應(yīng)速度快、抗疲勞等良好的傳感特性，可作為水下應(yīng)變傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測人體各部位在水中的運(yùn)動(dòng)信息。更重要的是，該凝膠應(yīng)變傳感器還被用作觸摸傳感器，作者借助自己設(shè)計(jì)的程序以簡化信息傳遞方式，保證水下作業(yè)人員的安全，并實(shí)現(xiàn)報(bào)警求助的功能。此凝膠具有優(yōu)異的抗溶脹和傳感性能，可應(yīng)用于水下通信、海洋監(jiān)測等領(lǐng)域，為柔性可穿戴水下應(yīng)變傳感器設(shè)計(jì)和開發(fā)提供有益的啟示。

【1. 制備和表征】

圖1. (a)凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。(b)凝膠中溶劑交換的示意圖。(c)凝膠在水下通信方面的應(yīng)用。

作者在工作中構(gòu)建了一種由親水單體和疏水單體經(jīng)光引發(fā)自由基聚合制得的凝膠，以期實(shí)現(xiàn)具有優(yōu)異抗溶脹性能的水下通信應(yīng)用。通過親水性單體(AAm)與疏水性單體(BA)共聚制備有機(jī)凝膠，當(dāng)構(gòu)建的有機(jī)凝膠應(yīng)用于水環(huán)境時(shí)，親疏水單體會受到溶劑極性的影響，從而導(dǎo)致溶劑交換效應(yīng)發(fā)生。這導(dǎo)致凝膠內(nèi)的微相分離和疏水締合形成，從而賦予其獨(dú)特的水下抗溶脹性能和光學(xué)可調(diào)特性。如圖1所示。

【2. 有機(jī)凝膠的性質(zhì)】

圖2. 有機(jī)凝膠的力學(xué)性能表征。(a)應(yīng)變掃描流變圖。(b)角頻率掃描流變圖。(c)有機(jī)凝膠的連續(xù)階躍應(yīng)變掃描流變圖。(d)不同比例單體的拉伸試驗(yàn)。(e)楊氏模量和耗散能的比較。(f)斷裂應(yīng)變和斷裂應(yīng)力的比較。(g)不同單體比的壓縮試驗(yàn)。(h)漸進(jìn)壓縮試驗(yàn)。(i)循環(huán)壓縮試驗(yàn)。

優(yōu)異的機(jī)械性能是凝膠用作可穿戴傳感器件的前提條件，因此，作者對有機(jī)凝膠的機(jī)械性能進(jìn)行了系統(tǒng)的測試。通過（a）圖中應(yīng)變掃描流變圖可清晰看出在較寬范圍內(nèi)，凝膠表現(xiàn)出彈性模量大于粘性模量，說明凝膠表現(xiàn)出類固體性質(zhì)；(b)圖的角頻率掃描流變圖，凝膠總是表現(xiàn)出彈性模量大于粘性模量，說明凝膠以彈性為主；(c)圖的連續(xù)階梯應(yīng)變掃描流變圖，通過進(jìn)行五次循環(huán)測試，凝膠的粘彈性依舊能夠快速恢復(fù)如初，說明凝膠的良好的可逆循環(huán)穩(wěn)定性。緊接著作者對凝膠進(jìn)行一系列拉伸、壓縮測試，以及楊氏模量和韌性的轉(zhuǎn)換，斷裂應(yīng)力和斷裂應(yīng)變的比較，結(jié)果表明隨親水單體濃度的增加，凝膠的韌性、強(qiáng)度均增加，這可歸因于親水單體中伯胺N-H鍵在凝膠化過程中形成分子間氫鍵，使得凝膠網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)密度增加，導(dǎo)致力學(xué)性能的增強(qiáng)。

【3. 抗溶脹性能】

圖3. (a)不同單體配比的有機(jī)凝膠在水中浸泡18天后的宏觀狀態(tài)變化。(b)溶劑交換后有機(jī)凝膠的溶脹比。(c)溶劑置換誘導(dǎo)疏水聚集示意圖。(d)凝膠在水中浸泡后的接觸角變化。(e)凝膠浸泡前后的紅外光譜。(f)溶脹時(shí)間-溶脹率與文獻(xiàn)報(bào)道的抗溶脹水凝膠的比較。

抗溶脹性能是凝膠作為傳感器在水下穩(wěn)定應(yīng)用的一個(gè)重要因素。作者通過(a)和(b)兩個(gè)圖，從宏觀和微觀角度說明不同單體比例凝膠的抗溶脹性能優(yōu)劣。而后通過(c)圖進(jìn)一步從機(jī)理角度證明抗溶脹凝膠的動(dòng)態(tài)過程。對于未浸泡過水的凝膠，界面處疏水官能團(tuán)分布相對稀疏，浸泡過水后不能及時(shí)有效阻止水分子的進(jìn)入，因此初期會發(fā)生溶脹。隨后，由于凝膠中疏水段與水分子之間的相互排斥，疏水基團(tuán)通過疏水相互作用聚集在界面處，增強(qiáng)了凝膠的抗溶脹性能。并且通過圖(e)中的紅外測試，比較浸泡不同時(shí)間的凝膠的1016 cm-1處DMSO中的S=O雙鍵的峰值明顯降低，而3000-3500 cm-1處的峰值強(qiáng)度則不斷增加。這一結(jié)果表明凝膠中的DMSO已經(jīng)被水取代，也證實(shí)了溶劑交換的發(fā)生。此外，與最近報(bào)道的抗溶脹凝膠的溶脹率相比，作者工作中設(shè)計(jì)的抗溶脹凝膠為實(shí)現(xiàn)水下傳感提供了一種新的解決方案(圖3f)。

【4. 光可調(diào)行為和信息加解密】

圖4. (a)宏觀有機(jī)凝膠浸泡在水中和二甲基亞砜中的透明度變化。(b)紫外分光光度計(jì)定量透射率。(c)照片顯示在水和二甲基亞砜中的信息輸入和擦除圖。(d)特殊圖案標(biāo)記。

有機(jī)凝膠在DMSO和水環(huán)境中表現(xiàn)出有趣的溶劑誘導(dǎo)光學(xué)可調(diào)行為。由于水和DMSO溶劑極性不同，凝膠浸泡在水環(huán)境中會發(fā)生微相分離。這導(dǎo)致了透明度的宏觀變化，從而形成了凝膠的光學(xué)可調(diào)行為。并且(b)圖中測試了三次凝膠透明度轉(zhuǎn)化重復(fù)實(shí)驗(yàn)，其表現(xiàn)出循環(huán)穩(wěn)定性，這也為凝膠對特殊信息的讀寫和加密性能奠定了基礎(chǔ)?；谶@一特性，作者利用水和DMSO溶劑作為書寫筆，對特殊符號“T”進(jìn)行書寫、覆蓋、重寫和擦除，從而實(shí)現(xiàn)對特殊信息的讀寫和加密(圖4c)。同時(shí)，圖4d顯示了不同模式的書寫，以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的信息記錄。綜上，凝膠具有出色的讀寫和光學(xué)可調(diào)功能，用于信息的加密和解密。

【5. 水下電化學(xué)傳感器的應(yīng)用】

圖5. 凝膠的水下傳感特性。(a)凝膠壓縮過程中GF的變化。(b)不同應(yīng)變下壓縮相對阻力變化。(c)不同速度下的壓縮相對阻力變化。(d)凝膠壓縮過程的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間。(e)應(yīng)變增大過程具有保持狀態(tài)的相對阻力變化。(f)在50%應(yīng)變下壓縮1000次時(shí)的相對阻力變化。(g)凝膠傳感器在水中浸泡18天和3個(gè)月的相對阻力變化。

基于前面所述的凝膠具有優(yōu)異抗溶脹性能，良好的力學(xué)性能，作者接下來進(jìn)行了水下壓縮傳感測試。由于所添加的鋰皂石本身帶有負(fù)電荷，其可以與聚合物鏈形成靜電相互作用，并且可為凝膠內(nèi)部離子運(yùn)輸提供遷移通道，使得凝膠具有良好的傳感性能。該凝膠傳感器表現(xiàn)出的高靈敏度、寬線性范圍、可逆恢復(fù)性能以及快速響應(yīng)性，這也是凝膠作為水下可穿戴傳感器的基礎(chǔ)。而后進(jìn)行水下1000次的壓縮循環(huán)測試說明凝膠傳感器的抗疲勞性能。接下來考察了凝膠傳感器水下的使用壽命，結(jié)果也是令人意外的，在水下浸泡三個(gè)月后，依舊具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和可逆性。以上結(jié)果均可表明該凝膠傳感器的快速響應(yīng)性、長期穩(wěn)定性以及抗疲勞性，其可在水下傳感應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行廣泛使用。

傳感動(dòng)態(tài)

【陜西漢中市六維力傳感器研發(fā)取得突破】

3月22日，記者從中航電測儀器股份有限公司了解到，該公司通過解耦提高傳感器串?dāng)_精度并且建立國際先進(jìn)的測試系統(tǒng)，在六維力傳感器研發(fā)中取得突破性進(jìn)展，產(chǎn)品計(jì)劃于今年3月底上市。

六維力傳感器是一種高精度的傳感器，能夠同時(shí)測量三維空間中的力和力矩，即六個(gè)自由度的力和力矩信息。這種傳感器在機(jī)器人控制、力學(xué)實(shí)驗(yàn)、科研、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。2021年，國家《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中提出要研制三維視覺傳感器、六維力傳感器和關(guān)節(jié)力矩傳感器等力覺傳感器。

2022年底，中航電測漢中分公司抽調(diào)技術(shù)骨干，由中航電測一級專家牽頭組建研發(fā)團(tuán)隊(duì)，開始研究六維力傳感器。期間，項(xiàng)目組攻克了多項(xiàng)難題，先后解決了傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、關(guān)鍵制作工藝、解耦技術(shù)、高頻數(shù)字采樣及處理技術(shù)和標(biāo)定測試技術(shù)，同時(shí)還同國家級計(jì)量研究所合作共同開發(fā)了六維力傳感器聯(lián)合加載測試設(shè)備，創(chuàng)建了國家級計(jì)量基準(zhǔn)，為六維力傳感器研發(fā)生產(chǎn)及標(biāo)定測試提供堅(jiān)強(qiáng)的保障。

近年來，作為國內(nèi)傳感器領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)，中航電測不斷提高企業(yè)創(chuàng)新能力，打造傳感器智能工廠，爭做世界一流的智能測控產(chǎn)品解決方案供應(yīng)商。同時(shí)，我市通過龍頭企業(yè)帶動(dòng)，正不斷延伸上下游產(chǎn)業(yè)鏈條，實(shí)現(xiàn)電子信息產(chǎn)業(yè)的集群發(fā)展，已成為全省三大傳感器制造基地之一。

【蘋果 Vision Pro 頭顯新專利獲批：Light Seal內(nèi)嵌觸控傳感器】

3 月26 日消息，根據(jù)美國商標(biāo)和專利局（USPTO）近日公示的清單，蘋果公司獲得了一項(xiàng)關(guān)于 Vision Pro 頭顯的技術(shù)專利，暗示蘋果計(jì)劃未來在 Light Seal 中嵌入觸控傳感器，從而為佩戴者提供更豐富的交互體驗(yàn)。

蘋果現(xiàn)有 Light Seal 由柔軟的紡織品制成，有各種形狀和尺寸，可彎曲以貼合用戶的臉部，該配件有助于阻擋外部光線，增強(qiáng)頭顯的沉浸式體驗(yàn)。

I蘋果公司此前的專利中，就考慮在 Light Seal 中嵌入各種傳感器，測量佩戴者體溫、汗液、心率、心臟電信號（如心電圖、心電圖等）、額葉活動(dòng)等指標(biāo)，從而進(jìn)一步分析佩戴者的反應(yīng)或者參與度。

而在最新專利中，蘋果構(gòu)想將 Light Seal 設(shè)計(jì)成超大觸控交互區(qū)域，在專利的一個(gè)示例中改用導(dǎo)電織物，內(nèi)置傳感器能夠識別佩戴者的交互手勢。

【傳感器分類及20種常見傳感器】

傳感器的分類：

常用傳感器的分類

1. 按被測物理量分類 機(jī)械量: 長度、厚度、位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)數(shù)、質(zhì)

量，重量、力、壓力、力矩；聲: 溫度: 聲壓、噪聲；磁: 磁通、磁場；亮度、色彩。溫度、熱量、比熱；光：

2. 按工作的物理基礎(chǔ)分類: 機(jī)械式，電氣式，光學(xué)式，流體式等。

以下是20種常見的傳感器，它們在我們的日常生活中廣泛應(yīng)用：

溫度傳感器（Temperature Sensor）：

用于測量溫度，如恒溫器和溫度計(jì)。

濕度傳感器（Humidity Sensor）：

用于測量空氣濕度，常用于氣象站和空調(diào)系統(tǒng)。

光敏傳感器（Light Sensor）：

檢測光線強(qiáng)度，如用于自動(dòng)照明系統(tǒng)。

聲音傳感器（Sound Sensor）：

用于檢測聲音強(qiáng)度，常見于音頻設(shè)備和安全系統(tǒng)。

壓力傳感器（Pressure Sensor）：

測量液體或氣體壓力，應(yīng)用于汽車制造和氣象學(xué)。

位移傳感器（Position Sensor）：

用于測量物體的位移或位置，如在機(jī)械臂和汽車中的應(yīng)用。

加速度傳感器（Accelerometer）：

測量加速度，廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)和運(yùn)動(dòng)跟蹤設(shè)備。

磁感應(yīng)傳感器（Magnetic Sensor）：

檢測磁場，如用于指南針和磁力計(jì)。

接近傳感器（Proximity Sensor）：

檢測物體的接近，常用于觸摸屏和自動(dòng)開關(guān)燈。

電容傳感器（Capacitive Sensor）：

測量電容變化，例如在觸摸屏上使用。

氣體傳感器（Gas Sensor）：

用于檢測特定氣體，如一氧化碳和二氧化碳傳感器。

顏色傳感器（Color Sensor）：

檢測物體的顏色，廣泛用于印刷和包裝行業(yè)。

生物傳感器（Biological Sensor）：

用于監(jiān)測生物學(xué)參數(shù)，如心率和血糖水平。

速度傳感器（Speed Sensor）：

測量物體的速度，應(yīng)用于車輛的速度計(jì)和測速攝像機(jī)。

重量傳感器（Weight Sensor）：

測量物體的重量，如用于稱重和負(fù)載控制。

紅外傳感器（Infrared Sensor）：

檢測紅外輻射，如用于紅外遙控器和人體檢測。

壓敏傳感器（Pressure-sensitive Sensor）：

基于物體施加的壓力來檢測接觸，如觸摸屏。

射頻識別（RFID）傳感器：

用于標(biāo)識和跟蹤物體，如在物流和庫存管理中使用。

光電傳感器（Photodetector）：

檢測光信號，廣泛應(yīng)用于攝像機(jī)和掃描儀。

位角傳感器（Angular Position Sensor）：

測量物體的角度或方向，如用于航空導(dǎo)航和機(jī)器人技術(shù)。

這些傳感器形成了我們現(xiàn)代科技的基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)和領(lǐng)域，提高了生活質(zhì)量、生產(chǎn)效率和安全性。

審核編輯 黃宇