拉伸和扭曲超灵敏应变传感器

据麦姆斯咨询报道，英国物理学家研发出迄今为止灵敏度最高的应变传感器，它甚至能够检测到一片羽毛的重量。

该传感器由英国萨塞克斯大学（University of Sussex）的材料物理小组研发，其拉伸强度比目前市场上的应变仪高80倍，电阻变化比现有研究的最敏感的材料高100倍。

该研究小组相信，这些传感器将为可测量病人生命体征的可穿戴设备及监测建筑物和桥梁结构完整性的系统带来更高的灵敏度。

拉伸和扭曲超灵敏应变传感器

萨塞克斯大学数学与物理科学学院的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，在这方面的开发已经进行了十多年。”

“我们相信这些传感器技术向前迈进了一大步。与科学文献中引用的线性应变传感器和非线性应变传感器相比，我们的传感器显示出有史以来电阻值的最大绝对变化。”

萨塞克斯大学实验物理学教授Alan Dalton表示：“这项前景光明的技术可能在医疗保健、运动成绩监测等成熟领域，以及软体机器人等快速发展的领域特别有用。”

“我们已经研发出了高性价比、可伸缩的健康监测设备，这些设备可以进行校准，以测量人体从关节运动到生命机能的各个方面。也可同时将多种设备用在病人身上，设备间通过无线连接并相互通信，提供实时、移动式健康诊断，而费用仅为目前的一小部分。”

发表在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）杂志上的新论文详细介绍了将大量石墨烯纳米片以一种结构化、可控的方式整合到聚二甲基硅氧烷（PDMS）基质中的过程，从而获得优异的机电性能。

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）

该论文的作者表示，这种方法有被扩展到众多二维层状材料和聚合物基质的潜力。在所有测得的载荷水平上，传感器都能极大地提高导电性，且没有明显的渗流阈值。

商用测量设备的灵敏度和应变范围相对较低，应变系数在2~5范围内，最大应变为5%或更低，因此电阻增加低于25%，妨碍了人体运动所需的高应变感测监控。

新型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%，指数级的响应引起电阻变化超过100万倍。

这样使得高灵敏度、低应变传感既可用于脉搏监测，又可用于记录电阻变化引起的胸部运动和关节弯曲的高应变测量。

萨塞克斯大学材料物理学研究员Sean Ogilvie博士表示：“商用应变传感器通常基于金属箔规，它更看重精度和可靠性，而不是灵敏度和应变范围。纳米复合材料因其具有弹性而成为下一代应变传感器的热门候选材料，但由于滞后和蠕变等非线性效应及纳米级聚合物的液体性质阻碍了其在工业上的广泛应用，这使得精确、可重复的应变读数成为一项持续挑战。”

“我们的传感器稳定于重复的、可预测的模式，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。”

这项研究得益于美国橡胶公司Alliance的支持。

Alliance公司销售和市场营销部副总裁Jason Risner表示：“Alliance拥有悠久的创新历史，其在使用石墨烯等破坏性纳米材料的前沿橡胶技术领域发挥着积极作用，这一点至关重要。并且与萨塞克斯大学的Alan Dalton教授等科学领袖合作对我们来说也是很关键的。”

“很期待看到我们通过相互协作完成的产品。石墨烯是一种可以改变我们生活的黑科技材料。我们公司为能够走在这种新技术的最前沿感到自豪。”
责任编辑:pj