Гибкие датчики давления могут обнаруживать едва заметные механические воздействия, что делает их пригодными для использования в носимых устройствах для мониторинга здоровья человека и анализа движений. Однако современные датчики страдают от недостаточной чувствительности, плохой долговечности и нестабильности.
В новом исследовании, вдохновлённом усами кошек, учёные разработали датчики на основе аэрогелей из биомассы и альгината натрия (BFA), которые продемонстрировали отличную чувствительность к давлению, долговечность и быстрый отклик, при этом подходя для физиологического мониторинга человека и анализа движений.
Проблемы современных датчиков
Стремительное развитие носимых электронных датчиков для использования в мониторинге здоровья, анализе движений и приложениях взаимодействия человека и машины увеличило спрос на гибкие датчики давления, способные обнаруживать едва заметные механические воздействия. В частности, пьезорезистивные датчики привлекли значительное внимание исследователей благодаря своей простой структуре, лёгкости считывания сигнала и отличным возможностям интеграции. Однако традиционные конструкции страдают от плохой адаптивности к деформациям и недостаточной чувствительности при длительном использовании, что снижает долговечность и стабильность.
Перспективы использования аэрогелей
Недавно углеродные аэрогели, включая графен, углеродные нанотрубки, биомассу на основе углерода и MXene-аэрогели, стали перспективной альтернативой благодаря своему сверхлёгкому весу, исключительной проводимости и обширной удельной поверхности. Аэрогели на основе биомассы особенно перспективны из-за их экологичности, устойчивости и механической стабильности.
Однако их производство основано на высокотемпературных, энергоёмких методах. Более того, традиционные модификации после обработки могут повлиять на их долгосрочную стабильность и чувствительность, ограничивая при этом крупномасштабное производство.
Чтобы решить эти проблемы, исследовательская группа под руководством доцента Чунхонга Чжу из Университета Синсю в Японии разработала инновационные новые датчики на основе аэрогелей из биомассы и альгината натрия (BFA), вдохновлённые усами кошек.
«Кошки, известные своей исключительной ловкостью и сенсорной остротой, во многом полагаются на свои хорошо развитые сенсорные системы для пространственного восприятия», — объясняет доцент Чжу. «Их усы, или вибриссы, являются прочными, но высокочувствительными тактильными детекторами, глубоко встроенными в специальные структуры, называемые комплексами фолликул-синусов (FSC), которые усиливают и преобразуют слабые механические сигналы в нервные стимулы, позволяя кошкам обнаруживать даже малейшие колебания давления в окружающей среде. Наши аэрогели из биомассы имитируют как кошачьи вибриссы, так и FSC, обеспечивая превосходную чувствительность и стабильность».
Результаты исследования
В экспериментах датчик на основе BFA продемонстрировал отличную усталостную стойкость и динамический отклик при различных скоростях нагрузки, высокую чувствительность 6,01 кПа⁻¹ и время отклика 255 миллисекунд. Кроме того, датчик на основе BFA продемонстрировал многообещающие применения в мониторинге физиологических показателей человека, эффективно улавливая сигналы каротидного пульса и распознавая модели движений человека. Кроме того, этот датчик позволил распознавать рукописный ввод и передавать информацию на основе азбуки Морзе.
Важно отметить, что исследователи успешно использовали разработанный датчик в спортивном мониторинге, где он точно фиксировал изменения сигнала во время различных техник подачи в бадминтоне. Этот датчик может быть встроен в носимые аксессуары или даже в ручки ракеток, предоставляя ценные данные для оптимизации производительности игрока и оценки движений путём измерения колебаний давления.
«Наше исследование предлагает экологичное, масштабируемое решение для разработки носимых датчиков давления, избегая энергоёмкой карбонизации и сложных процессов», — отмечает доцент Чжу. «Эта биоинспирированная конструкция знаменует значительный шаг на пути к разработке экологически чистых и высокочувствительных носимых датчиков с широким потенциалом в спортивной аналитике и биомедицинском мониторинге».