Esnek biyonik sensörler alanında bir dizi ilerleme
Esnek elektronik, malzeme bilimi ve mikro-nano işleme teknolojisinin gelişmesiyle birlikte esnek / giyilebilir elektronik teknolojisi, son yıllarda elektronik cihaz araştırmalarının önemli bir alanı haline geldi. Bunlar arasında, harici sinyallerin doğru algılanmasını gerçekleştirebilen yüksek performanslı, esnek ve şekillendirilebilir bir sensör, temel temel bileşenlerden biridir. İyi yüzey uyumlu özellikleri ve hafiflik, esneklik ve dayanıklılık özellikleri nedeniyle, esnek sensörler, insan-bilgisayar etkileşimi, akıllı robotlar, yapay zeka, giyilebilir cihazlar, tıbbi izleme ve spor sağlığı gibi stratejik gelişmekte olan alanlarda geniş uygulama olanaklarına sahiptir. Şu anda, araştırmacılar esnek elektronik cihaz araştırmalarında birçok yenilikçi çalışma yapmışlardır ve bu alan giderek daha fazla araştırmacının dikkatini çekmiştir. Araştırmacı Zhang Jun'un Suzhou Enstitüsü Nanoteknoloji ve Nano-Biyonik Araştırma ekibi ve ekibi, Çin Bilimler Akademisi nano-akıllı malzemeler, biyonik mikro-nano yapılar, esnek ve işlenebilir sensör cihazları ve bunların akıllı sistemlerinde bir dizi araştırma ilerlemesi gerçekleştirdi ve esnek mikro-nano sensörleri gerçekleştirdi. Mühendislik, baskı toplu üretimi ve bazı patentli teknolojilerin sanayileşmesi uluslararası ve yerli meslektaşların ilgisini çekmiştir (temsili belgeler şu şekildedir: Adv. Mater., 2014, 26, 1336, Adv. Mater., 2015, 27, 1370, Sci. Adv., 2016, 2 (7), e1600209, Nano Lett., 2017, 17 (1), 355, Adv. Sci., 2017, 4, 1600404, Small, 2017, 1602790, Nano Res., 2017, 10 (8): 2683, Gelişmiş Mater., 2017, 29, 1702517, Anal. Chem., 2017, 89, 10224, Adv. Sci., 2018, 5, 1800558, Energy Storage Mater., 2018, 15, 315 , Küçük, 2018, 14 (36), 1703902).
Özel uygulama senaryolarının gereksinimlerini karşılayan esnek sensörler, yüksek hassasiyet, yüksek stabilite, hızlı tepki süresi ve uzun çalışma ömrü gereksinimlerini karşılamalıdır. Şimdiye kadar insanlar, hassas materyallerin sentezi ve cihaz tasarımı ve hazırlığı dahil olmak üzere esnek sensörlerin kapsamlı performansını iyileştirmek için çeşitli yöntemler geliştirdiler, ancak bu yöntemler genellikle belirli sınırlamaları olan mevcut karmaşık işleme yöntemlerine ve malzeme sentez yöntemlerine dayanmaktadır. Bilimsel ve teknolojik araştırmalardaki önemli kavram ve yöntemlerden biri "Biyonik" dir Doğada, milyonlarca yıllık evrim ve evrimden sonra, çeşitli organizmalar kendilerine özgü şekilleri ve işlevleri sayesinde yaşam ortamına uyum sağlayabilirler. Örneğin örümcekler, uzun mesafeli algılama sağlamak için bacak derisi çatlaklarından yüksek hassasiyetle yerdeki mikro titreşimlerini algılayabilir ve bukalemunlar / ahtapotlar, kamuflaj koruması için dış ışıktaki değişiklikleri algılayarak ten rengini değiştirebilir. Bu nedenle doğadan öğrenerek, biyolojik dünyada var olan maddeleri ve yapıları "taklit ederek" ve yenileyerek, dış dünyadan gelen çoklu fiziksel ve kimyasal bilgileri benzer bir biyotaksis tarzında doğru bir şekilde algılayabilen biyomimetik sensör cihazlarının geliştirilmesi yeni bir elektronik cihaz türüdür. Tasarım ve algılama teknolojisinin gelişimi, çok sayıda fikir ve yöntem sağlar, yapay zekanın özelliklerini gösterir ve algılama teknolojisinin uygulama kapsamını genişletir.
Yakın zamanda, Zhang Junun araştırma grubu, Journal of Accounts of Chemical Research tarafından Esnek ve Gerdirilebilir Biyomimetik Sensörler için Malzemeler, Yapılar ve İşlevler başlıklı bir inceleme makalesi yayınlamaya davet edilmiş ve araştırma grubu ve ilgili ekiplerin son yıllarda esnek biyomimetik sensörler üzerinde çalıştıklarını açıklamaktadır. Bu alandaki araştırma çalışması, biyonik esnek sensör teknolojisinin "(makine) insan-bilgi-fiziksel sistemin" (Şekil 1) verimli bir şekilde kaynaşmasını gerçekleştirmenin önemli bir yolu olduğunu ve bu araştırma alanındaki sorunları ve geliştirme yönlerini dört gözle beklediğini göstermektedir (Acc. Res. 2019, 52, 288-296, Kapak İçi, DOI: 10.1021 / acs.accounts.8b00497).
Cilt dokusu, canlı bir vücudun en büyük duyu organıdır ve mekanik, sıcaklık, nem ve dokunma gibi çeşitli kapsamlı algılama yeteneklerine sahiptir.Yazar, en temsili esnek biyonik sensör-biyonik "elektronik deri" ile başlar. Özel işlevlere veya bileşik özelliklere sahip yeni hassas malzemeler oluşturmak, sensöre çok işlevli algılama yetenekleri sağlayabilir. Örneğin, Bağlı suyun absorpsiyonu ve desorpsiyonu yoluyla hassas polimer membran, ışığın ve nemin ikili tepkisini gerçekleştirebilir ve aynı zamanda malzeme deformasyonu yoluyla sinyal yanıtını "görselleştirebilir". Ek olarak, çok işlevli malzemelerin tasarımı ve hazırlanması, cihaza özel özellikler verebilir; örneğin, biyolojik olarak uyumlu veya çözünür sensörler oluşturmak için ipek (İpek) gibi doğal maddeler veya bozunabilir malzemeler ve benzer "deri" ile polimer hidrojen bağ mekanizmasının kullanılması Kendi kendine onarım işlevine sahip esnek sensör, süper hidrofobik özellikli akıllı kaplamaya dayalı çok işlevli gerilebilir sensör, vb. Aynı zamanda analiz, esnek sensörlerin performansını iyileştirmek için çeşitli biyonik mikro-nano duyarlı yapılar tasarlayıp inşa ederek bunu gösterdi. Örneğin, doğadaki hayvanlarda (örümcekler vb.) Ve bitkilerde (lotus yaprakları, yapraklar vb.) Biyomimetik mikro-nano yapıların kopyalanmasıyla, geniş bir algılama aralığı veya seçici yönlü yanıt özellikleri elde edebilen esnek bir sensör oluşturulur (Şekil 2a b); Kumaş benzeri şerit mikro-nano yapısına (Şekil 2d) dayalı olarak monte edilen esnek cihaz, doğadaki kendi kendine dengesizlik (Dalgalar gibi kararsızlıklar) sayesinde küçük basınca (0.6 Pa) hızlı tepki (10 ms) sağlayabilir. Bulutların, kum tepelerinin vb. Simülasyonu, esnek sensörün yüksek sünekliğini sağlayabilir; ön gerilimli germe yöntemiyle monte edilen "dalga" yapısına sahip tek boyutlu lifli / iki boyutlu düzlemsel esnek cihaz, ultra genişlemeye sahiptir (maksimum>% 1000 Çekme deformasyonu) özellikleri (Şekil 2c). Esnek sensör bileşenlerinin insan vücudunda, hafif ekipmanlarda vb. Uygulanması, esnek cihazın ve insan organları gibi özel şekilli kavisli yüzeylerin yüzey arayüzünün yakın yapışmasıyla daha da genişletilir.
Organizmalar, özellikle insan vücudunun beş duyusu (dokunma, duyma, koku alma, görme ve tatma), dış bilgileri algılama ve etkileşimini gerçekleştirmede önemli temel işlevlerdir. Biyolojik duyusal işlevler açısından Zhang Junun ekibi, esnek biyonik elektronik cilt sensörü (E-cilt), esnek biyonik parmak izi sensörü (Elektronik Parmak İzi), esnek biyonik elektronik kulak zarı gibi çeşitli yeni esnek biyonik cihazların tasarımını ve yapımını gerçekleştirdi. Elektronik Kulak Zarı) ve diğerleri (Şekil 3), nabız, kalp atışı ve kan damarı mikro basıncının (Şekil 3a) son derece hassas bir şekilde tespit edilmesini, yüzey kesme kuvvetinin, kumaş şeritlerinin ve Braille harflerinin (Şekil 3b) ve geniş frekansın doğru şekilde tespit edilmesini sağladı. Titreşim sinyali (20-13000 Hz) yüksek bir sinyal-gürültü oranına (~ 55 dB) ve yüksek kararlı tepkiye (150000 döngü) sahiptir (Şekil 3c). Araştırma grubu tarafından geliştirilen mikro-nano gaz sensörü (koku alma) ve giyilebilir ter sensörü (tat) ile birleştiğinde, cilde benzer çok parametreli algılama özelliklerine sahip çok işlevli esnek bir sensör sistemi giderek gerçeğe dönüşecek ve biyomimetik robotlar gibi sistemler gelecekte daha "akıllı" hale getirilecek. Biyolojik organların duyusal işlevi.
Zhang Jun, malzeme tasarımı, sistem entegrasyonu ve uygulama senaryoları perspektifinden bu alanın gelecekteki gelişme yönünü dört gözle bekliyor.Örneğin, şekil hafızalı alaşım malzemeleri, metal organik çerçeve malzemeleri, geleneksel olmayan moleküler makineler, hücresel organizmalar vb. Cihaz tasarımına dahil edilerek, Biyolojik fonksiyonları taklit eden yeni esnek sensör cihazları; sistem tasarımı aracılığıyla, hafif biyonik balıklar, biyonik kuş ve diğer akıllı esnek sensör tahrikli entegre sistemler oluşturur.
Yukarıdaki çalışma Bilim ve Teknoloji Bakanlığı'nın Anahtar Ar-Ge Programı, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı, Jiangsu Üstün Gençlik Fonu ve Çin Doktora Sonrası Fonu tarafından desteklenmiştir. Makalenin ilk yazarı Li Tie ve yüksek lisans öğrencisi Li Yue çalışmaya katıldı.
Şekil 1. Accounts of Chemical Research'te (2019, 52, 288-296, Kapak İçi) yayınlanan biyonik esnek sensörlerin incelemesi
Şekil 2. (a) nano-karbon malzeme çatlak yapısı, (b) lotus yaprağı yüzeyi mikro-nano yapısı, (c) "dalga" uzatma yapısı, (d) kumaş mikro-nano yapısı temel alınarak monte edilmiş biyonik esnek sensör.
Şekil 3. (a) Esnek biyonik elektronik cilt sensörü ("E-cilt"); (b) Esnek biyonik parmak izi sensörü ("Elektronik parmak izi"); (c) Esnek titreşim sensörü - "Elektronik kulak zarı"
Kaynak: Suzhou Nanoteknoloji ve Nano-Biyonik Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi
İpuçları: Yakın zamanda WeChat resmi hesap bilgi akışı revize edildi. Her kullanıcı, büyük kartlar şeklinde görüntülenecek olan sık okuma abonelik numaralarını ayarlayabilir. Bu nedenle, "Çin Bilimler Akademisinin Sesi" makalesini kaçırmak istemiyorsanız, şunları yapmalısınız: "Çin Bilimler Akademisinin Sesi" genel hesabına girin sağ üst köşedeki menüyü tıklayın "Yıldız Olarak Ayarla" yı seçin
