灵敏的应变传感器可以检测羽毛的重量

物理学家创造了有史以来最灵敏的应变传感器，能够检测到羽毛的触摸。

该传感器是由萨塞克斯大学材料物理小组开发的，其拉伸强度比目前市场上的应变仪高80倍，并且其电阻变化比研究中最敏感的材料高100倍。

研究团队认为，这些传感器可以为可测量患者生命体征的可穿戴技术以及监测建筑物和桥梁结构完整性的系统带来新的灵敏度。

萨塞克斯大学数学与物理科学学院的马库斯·奥玛拉（Marcus O'Mara）说：“下一波应变传感技术使用了诸如橡胶之类的弹性材料，并注入了诸如石墨烯或银纳米粒子之类的导电材料。现在已经发展了十多年。

“我们相信这些传感器是向前迈出的一大步。与科学文献中引用的线性和非线性应变传感器相比，我们的传感器展现出有史以来最大的电阻绝对变化。”

萨塞克斯大学实验物理教授艾伦·道尔顿（Alan Dalton）表示：“这项有前途的技术在医疗保健，运动成绩监控等成熟领域以及诸如软机器人等快速发展的领域中可能特别有用。

高倍率下G球的扫描电子显微镜（SEM）图像。图片来源：萨塞克斯大学

“我们的研究开发了廉价，可扩展的健康监测设备，可以对其进行校准，以测量从人体关节运动到生命监测的所有内容。可以在患者的身体上使用多种设备，无线连接并相互通信以提供实时移动健康诊断，费用仅为目前的一小部分。”

这项发表在《高级功能材料》杂志上的新论文详细介绍了以结构化，可控制的方式将大量石墨烯纳米片掺入PDMS基质的过程，该过程可产生出色的机电性能。

作者说，该方法具有扩展到二维层状材料和聚合物基质的广泛潜力。传感器在所有测得的载荷水平下均提供了大大提高的电导率，而没有明显的渗漏阈值。

商用量规设备的灵敏度和应变范围相对较低，应变系数范围为2-5，最大应变不超过5％应变，导致电阻增加不到25％，并阻止了人体运动所需的高应变感测监控。

新传感器能够检测到小于0.1％的应变，这是因为它们的应变系数更高，约为20，而应变高达80％，其中指数响应导致电阻变化超过一百万。

这样既可以进行高灵敏度的低应变感测（用于脉冲监测），也可以进行高应变的胸部运动测量以及由于记录电阻变化而导致的关节弯曲。

休息在玻璃小瓶的G球的照片。每个球都有一个柔软的聚二甲基硅氧烷（PDMS）芯，并涂有微观的石墨烯片。图片来源：萨塞克斯大学

萨塞克斯大学材料物理研究员西恩·奥吉尔维博士说：“通常基于金属箔规的商业应变传感器，其精度和可靠性超过灵敏度和应变范围。纳米复合材料是下一代应变传感器的诱人候选人。由于其弹性，但由于纳米级聚合物的液体性质，非线性效应（例如磁滞和蠕变）阻碍了工业广泛采用，这使得精确，可重复的应变读数成为一项持续的挑战。

“我们的传感器以一种可重复的，可预测的模式稳定下来，这意味着尽管有这些影响，我们仍然可以提取出应变的准确读数。”

这项工作在美国橡胶公司Alliance的支持下得以实现。

Alliance销售与营销副总裁Jason Risner表示：“联盟有着悠久的创新历史，对于我们在使用破坏性纳米材料（例如石墨烯）的领先橡胶技术中发挥积极作用至关重要。我们至关重要与萨塞克斯大学Alan Dalton教授等科学领导者合作。

“我们很高兴看到我们的合作伙伴关系可能产生的产品。石墨烯是一种可以改变我们生活的惊人材料。我们公司为能走在新事物的前沿感到自豪。”

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