Sensores de grafeno/Ecoflex aprimorados com rugas multiescala e hierárquicas integrados com humanos

npj Flexible Electronics volume 6, número do artigo: 55 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Os atuais sensores extensíveis/flexíveis de última geração têm recebido demandas rigorosas em termos de sensibilidade, flexibilidade, linearidade e capacidade de medição de ampla faixa. Aqui, relatamos uma metodologia de sensores de deformação baseados em compósitos de grafeno/Ecoflex modulando rugas multiescala/hierárquicas em substratos flexíveis. O sensor mostra uma sensibilidade ultra-alta com um fator de medição de 1078,1, uma elasticidade de 650%, um tempo de resposta de ~140 ms e uma durabilidade de ciclagem superior. Ele pode detectar sinais fisiológicos de ampla gama, incluindo movimentos corporais vigorosos, monitoramento de pulso e reconhecimento de fala, e ser usado para monitorar a respiração humana em tempo real usando uma plataforma em nuvem, mostrando um grande potencial para a Internet das Coisas na área da saúde. Gestos complexos/linguagens de sinais podem ser detectados com precisão. A interface homem-máquina é demonstrada pelo uso de uma luva com sensor integrado para controlar remotamente um manipulador externo para desarmar remotamente uma bomba. Este estudo fornece estratégias para diagnóstico médico em tempo real/de longo alcance e assistência remota para realizar tarefas perigosas nos campos industrial e militar.

Sensores de deformação flexíveis, extensíveis e vestíveis receberam grande atenção recentemente porque grandes deformações podem ser aplicadas em substratos flexíveis/dobráveis/elásticos ou curvos. Eles efetivamente transformam deformações mecânicas complexas em sinais elétricos, promissores para aplicações em sistemas de monitoramento de saúde humana, internet das coisas vestível (WIoT), interação homem-máquina e robótica suave, etc. Esses sensores de deformação extensíveis/flexíveis/vestíveis podem suportar uma deformação muito maior (até 500%) e deformação significativa quando comparados com seus equivalentes rígidos (normalmente com uma deformação menor que 5%)6. Portanto, eles são explorados para medições in-situ e precisas em superfícies de formato complexo. Vários tipos de sensores de deformação extensíveis estão atualmente disponíveis, por exemplo, sensores capacitivos7,8, sensores resistivos9,10, sensores triboelétricos11,12 e sensores piezoelétricos13,14. Entre eles, os de deformação resistiva têm sido amplamente utilizados para aplicações de detecção vestíveis, porque não apenas possuem estruturas simples, circuito de leitura conveniente e processos de microfabricação de baixo custo, mas também oferecem boa elasticidade, alta sensibilidade e flexibilidade .

Recentemente, a pesquisa relevante tem sido focada em materiais condutores integrados com polímeros flexíveis para fabricar sensores de deformação. Diversos materiais como negros de fumo (CB), nanopartículas (NPs), nanotubos de carbono (CNTs), grafeno, nanofios (NWs) e micro/nanoestruturas híbridas têm sido aplicados para esse fim17,18,19,20,21,22, 23. Entre eles, os carbonos de baixa dimensão (incluindo CB, CNTs e grafeno) são muito atraentes devido à sua boa flexibilidade, grande relação superfície/volume, boas estabilidades químicas e térmicas e boa condutividade elétrica .

Para realizar suas aplicações práticas, esses sensores devem possuir alta sensibilidade e grande elasticidade. No entanto, a sua sensibilidade e elasticidade são frequentemente consideradas contraditórias entre si. Portanto, muitos pesquisadores propuseram vários métodos de engenharia de superfície e interface (como microestruturas em escala de peixe27, formação de microfissuras reversíveis28, arquitetura de matriz de microprismas29, engenharia de interface ácida30 e estruturas enrugadas, etc31,32,33.) para resolver esse dilema para alcançar alta sensibilidades e amplas faixas de detecção de tensão. Dentre esses métodos, a aplicação de estruturas enrugadas é uma das estratégias predominantes. Anteriormente Pegan et al. propuseram um sensor de deformação de platina enrugada e alcançaram uma deformação de tração de 185% e um fator de medição (GF) de 4234. Com base em um projeto estrutural multiescala, Xue et al. propuseram um sensor de deformação usando grafeno e filme de carbono nanocristalino com estruturas enrugadas, demonstrando um GF ultra-alto de 107135. Chu et al. fabricaram um sensor baseado em rugas usando um método de pré-alongamento e demonstraram uma deformação de até 300% . No entanto, estes sensores de deformação desenvolvidos ainda são difíceis de alcançar uma alta sensibilidade combinada (GF> 1000) e alta elasticidade (> 500%), bem como respostas ultrarrápidas e capacidades para uma ampla gama de detecções de deformação. É fundamental explorar diferentes estratégias para superar tais limitações e desenvolver sensores de deformação que sejam altamente sensíveis e extensíveis, com boa estabilidade e respostas ultrarrápidas, bem como uma detecção de deformação de amplo alcance.