針對個性化醫(yī)療監(jiān)護的需求，對柔性、超敏、可擠壓、可貼裝和可穿戴傳感器的需求日益增長，因此有必要探索基于納米聚合物復合材料的新型傳感器。在此，我們報道了一種敏感的3D可壓縮石墨烯-聚二甲基硅氧烷(PDMS)泡沫壓阻傳感器，該傳感器通過將多層石墨烯納米顆粒注入糖基多孔PDMS泡沫結(jié)構(gòu)中來實現(xiàn)。所制得的壓阻式泡沫塑料傳感器的靜態(tài)和動態(tài)壓縮應變測試結(jié)果顯示，在0- 50%的應變范圍內(nèi)，存在兩個線性響應區(qū)域，平均應變因子為2.87~8.77。此外，動態(tài)刺激響應揭示了傳感器的能力，有效地跟蹤動態(tài)壓力高達70赫茲的頻率。該傳感器在36000次循環(huán)壓縮載荷和100次完整的人類步態(tài)運動周期中顯示出很高的穩(wěn)定性。通過仿真步態(tài)模型和實時步態(tài)表征實驗，3D傳感泡沫體可精確的對人體步態(tài)進行監(jiān)測。實時步態(tài)實驗表明，鞋底三個位置的壓力分布信息不僅可以區(qū)分步行和跑步等不同的人類步態(tài)，還可以識別可能的跌倒情況。本論文還展示了傳感器區(qū)分足部解剖結(jié)構(gòu)的能力，如扁平足(低中心弓)和中弓腳，這是更有效的生物力學。此外，傳感器能夠感知各種基本的關(guān)節(jié)運動反應，證明它們適合于個性化醫(yī)療應用。
Figure 1. 可壓縮石墨烯-PDMS泡沫傳感器的制備：(a)多層石墨烯納米薄片(MLG)滲透PDMS泡沫的示意圖；(b)具有電觸點的單一PDMS-MLG泡沫傳感器的示意圖：(c)石墨烯-PDMS泡沫傳感器的(c)可擠壓性和(d)超輕性。
Figure 2. 負載MLG前后PDMS泡沫的SEM圖：(a, b)不同放大倍數(shù)下未PDMS泡沫體的多孔結(jié)構(gòu)；(c, d) 載有MLG兩種不同放大倍數(shù)的PDMS泡沫，其孔壁被MLG納米薄片覆蓋，形成一個納米材料滲透網(wǎng)絡。
Figure 3. 石墨烯-PDMS泡沫傳感器中可能的應變誘導電阻調(diào)制機制的示意圖：(a)傳感器中觀察到的應變誘導電阻調(diào)制的導電域斷開機制的示意圖；(b)應力誘導隧穿電阻調(diào)制的示意圖。
Figure 4.石墨烯-PDMS泡沫傳感器表征：(a)用于進行壓阻性表征實驗的裝置的示意圖；(b)石墨烯- PDMS泡沫傳感器的歸一化電阻隨外加壓縮應變的變化曲線高達9.5%；(c)用于在10-50%范圍內(nèi)對較大的壓縮應變進行壓阻特性實驗的裝置示意圖；(d)在不同應變下(10% ~ 50%)，5種不同壓縮載荷下傳感器響應歸一化電阻變化曲線圖；(e)疊加圖，顯示了傳感器在10%-50%五種不同壓縮應變下的歸一化電阻變化；(f)柱狀圖顯示了石墨烯- PDMS泡沫傳感器在10%-50%五種不同壓縮應變下的計算應變因子。
Figure 5. 循環(huán)壓縮加載和動態(tài)應變傳感特性的石墨烯泡沫塑料傳感器：(a)傳感器在5%壓縮應變下對循環(huán)加載和卸載的響應；(b)傳感器在10 Hz時時域響應的曲線圖；(c)在35 Hz和70 Hz時傳感器響應的FFT振幅圖。
Figure 6. 石墨烯- PDMS泡沫傳感器在人體步態(tài)監(jiān)測中的應用：(a)傳感器對模擬步態(tài)的響應圖；(b)軟鞋底傳感器組件(SSA)示意圖；(c)顯示步行時腳趾球和腳后跟區(qū)域的傳感器響應圖；(d)顯示跑步時腳趾球、足弓和腳后跟區(qū)域的傳感器響應圖；(e)顯示周期性前后傾時腳趾球、足弓和腳跟區(qū)域的傳感器響應。
Figure 7. 石墨烯- PDMS泡沫傳感器在足部解剖和人體運動監(jiān)測中的應用：(a)比較低足弓/扁平足與中等足弓生物力學效率的圖像；(b)比較兩種不同足型獲得的SSA壓力響應；(c)傳感器對食指輕彈的響應；(d)傳感器對手腕輕彈的響應。
相關(guān)研究成果于2019年由格羅寧根大學Ajay Giri Prakash Kottapalli課題組，發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces (
https://doi.org/10.1021/acsami.9b11776)上。原文：Ultra-light weight and 3D squeezable graphene-polydimethylsiloxane composite foams as piezoresistive sensors。
