苹果 Vision Pro 头显新专利获批，陕西汉中市六维力传感器研发取得突破

传感新品

【鲁东大学：基于溶剂交换策略的抗溶胀凝胶传感器用于水下通信】

柔性可穿戴传感器在水下应用中具有非凡的意义，如水下运动监测和海洋危险求救，其中凝胶可穿戴传感器的应用前景十分广阔。然而，制备具有优异抗溶胀性能和传感性能的水下凝胶传感器仍然是一个巨大的挑战。鉴于此，鲁东大学徐文龙课题组的本科生科研团队提出了一种溶剂交换策略，诱导凝胶内部疏水段在凝胶-水界面聚集，从而阻止水分子的进入以得到抗溶胀凝胶。此外，用此方法制备的抗溶胀凝胶在水下表现出灵敏度高、线性度高、响应速度快、抗疲劳等良好的传感特性，可作为水下应变传感器，实时监测人体各部位在水中的运动信息。更重要的是，该凝胶应变传感器还被用作触摸传感器，作者借助自己设计的程序以简化信息传递方式，保证水下作业人员的安全，并实现报警求助的功能。此凝胶具有优异的抗溶胀和传感性能，可应用于水下通信、海洋监测等领域，为柔性可穿戴水下应变传感器设计和开发提供有益的启示。

【1. 制备和表征】

图1. (a)凝胶网络结构示意图。(b)凝胶中溶剂交换的示意图。(c)凝胶在水下通信方面的应用。

作者在工作中构建了一种由亲水单体和疏水单体经光引发自由基聚合制得的凝胶，以期实现具有优异抗溶胀性能的水下通信应用。通过亲水性单体(AAm)与疏水性单体(BA)共聚制备有机凝胶，当构建的有机凝胶应用于水环境时，亲疏水单体会受到溶剂极性的影响，从而导致溶剂交换效应发生。这导致凝胶内的微相分离和疏水缔合形成，从而赋予其独特的水下抗溶胀性能和光学可调特性。如图1所示。

【2. 有机凝胶的性质】

图2. 有机凝胶的力学性能表征。(a)应变扫描流变图。(b)角频率扫描流变图。(c)有机凝胶的连续阶跃应变扫描流变图。(d)不同比例单体的拉伸试验。(e)杨氏模量和耗散能的比较。(f)断裂应变和断裂应力的比较。(g)不同单体比的压缩试验。(h)渐进压缩试验。(i)循环压缩试验。

优异的机械性能是凝胶用作可穿戴传感器件的前提条件，因此，作者对有机凝胶的机械性能进行了系统的测试。通过（a）图中应变扫描流变图可清晰看出在较宽范围内，凝胶表现出弹性模量大于粘性模量，说明凝胶表现出类固体性质；(b)图的角频率扫描流变图，凝胶总是表现出弹性模量大于粘性模量，说明凝胶以弹性为主；(c)图的连续阶梯应变扫描流变图，通过进行五次循环测试，凝胶的粘弹性依旧能够快速恢复如初，说明凝胶的良好的可逆循环稳定性。紧接着作者对凝胶进行一系列拉伸、压缩测试，以及杨氏模量和韧性的转换，断裂应力和断裂应变的比较，结果表明随亲水单体浓度的增加，凝胶的韧性、强度均增加，这可归因于亲水单体中伯胺N-H键在凝胶化过程中形成分子间氢键，使得凝胶网络的交联密度增加，导致力学性能的增强。

【3. 抗溶胀性能】

图3. (a)不同单体配比的有机凝胶在水中浸泡18天后的宏观状态变化。(b)溶剂交换后有机凝胶的溶胀比。(c)溶剂置换诱导疏水聚集示意图。(d)凝胶在水中浸泡后的接触角变化。(e)凝胶浸泡前后的红外光谱。(f)溶胀时间-溶胀率与文献报道的抗溶胀水凝胶的比较。

抗溶胀性能是凝胶作为传感器在水下稳定应用的一个重要因素。作者通过(a)和(b)两个图，从宏观和微观角度说明不同单体比例凝胶的抗溶胀性能优劣。而后通过(c)图进一步从机理角度证明抗溶胀凝胶的动态过程。对于未浸泡过水的凝胶，界面处疏水官能团分布相对稀疏，浸泡过水后不能及时有效阻止水分子的进入，因此初期会发生溶胀。随后，由于凝胶中疏水段与水分子之间的相互排斥，疏水基团通过疏水相互作用聚集在界面处，增强了凝胶的抗溶胀性能。并且通过图(e)中的红外测试，比较浸泡不同时间的凝胶的1016 cm-1处DMSO中的S=O双键的峰值明显降低，而3000-3500 cm-1处的峰值强度则不断增加。这一结果表明凝胶中的DMSO已经被水取代，也证实了溶剂交换的发生。此外，与最近报道的抗溶胀凝胶的溶胀率相比，作者工作中设计的抗溶胀凝胶为实现水下传感提供了一种新的解决方案(图3f)。

【4. 光可调行为和信息加解密】

图4. (a)宏观有机凝胶浸泡在水中和二甲基亚砜中的透明度变化。(b)紫外分光光度计定量透射率。(c)照片显示在水和二甲基亚砜中的信息输入和擦除图。(d)特殊图案标记。

有机凝胶在DMSO和水环境中表现出有趣的溶剂诱导光学可调行为。由于水和DMSO溶剂极性不同，凝胶浸泡在水环境中会发生微相分离。这导致了透明度的宏观变化，从而形成了凝胶的光学可调行为。并且(b)图中测试了三次凝胶透明度转化重复实验，其表现出循环稳定性，这也为凝胶对特殊信息的读写和加密性能奠定了基础。基于这一特性，作者利用水和DMSO溶剂作为书写笔，对特殊符号“T”进行书写、覆盖、重写和擦除，从而实现对特殊信息的读写和加密(图4c)。同时，图4d显示了不同模式的书写，以实现更准确的信息记录。综上，凝胶具有出色的读写和光学可调功能，用于信息的加密和解密。

【5. 水下电化学传感器的应用】

图5. 凝胶的水下传感特性。(a)凝胶压缩过程中GF的变化。(b)不同应变下压缩相对阻力变化。(c)不同速度下的压缩相对阻力变化。(d)凝胶压缩过程的响应时间和恢复时间。(e)应变增大过程具有保持状态的相对阻力变化。(f)在50%应变下压缩1000次时的相对阻力变化。(g)凝胶传感器在水中浸泡18天和3个月的相对阻力变化。

基于前面所述的凝胶具有优异抗溶胀性能，良好的力学性能，作者接下来进行了水下压缩传感测试。由于所添加的锂皂石本身带有负电荷，其可以与聚合物链形成静电相互作用，并且可为凝胶内部离子运输提供迁移通道，使得凝胶具有良好的传感性能。该凝胶传感器表现出的高灵敏度、宽线性范围、可逆恢复性能以及快速响应性，这也是凝胶作为水下可穿戴传感器的基础。而后进行水下1000次的压缩循环测试说明凝胶传感器的抗疲劳性能。接下来考察了凝胶传感器水下的使用寿命，结果也是令人意外的，在水下浸泡三个月后，依旧具有优异的稳定性和可逆性。以上结果均可表明该凝胶传感器的快速响应性、长期稳定性以及抗疲劳性，其可在水下传感应用领域进行广泛使用。

传感动态

【陕西汉中市六维力传感器研发取得突破】

3月22日，记者从中航电测仪器股份有限公司了解到，该公司通过解耦提高传感器串扰精度并且建立国际先进的测试系统，在六维力传感器研发中取得突破性进展，产品计划于今年3月底上市。

六维力传感器是一种高精度的传感器，能够同时测量三维空间中的力和力矩，即六个自由度的力和力矩信息。这种传感器在机器人控制、力学实验、科研、航空航天、生物医学等领域有着广泛的应用。2021年，国家《“十四五”机器人产业发展规划》中提出要研制三维视觉传感器、六维力传感器和关节力矩传感器等力觉传感器。

2022年底，中航电测汉中分公司抽调技术骨干，由中航电测一级专家牵头组建研发团队，开始研究六维力传感器。期间，项目组攻克了多项难题，先后解决了传感器结构设计技术、关键制作工艺、解耦技术、高频数字采样及处理技术和标定测试技术，同时还同国家级计量研究所合作共同开发了六维力传感器联合加载测试设备，创建了国家级计量基准，为六维力传感器研发生产及标定测试提供坚强的保障。

近年来，作为国内传感器领域的领军企业，中航电测不断提高企业创新能力，打造传感器智能工厂，争做世界一流的智能测控产品解决方案供应商。同时，我市通过龙头企业带动，正不断延伸上下游产业链条，实现电子信息产业的集群发展，已成为全省三大传感器制造基地之一。

【苹果 Vision Pro 头显新专利获批：Light Seal内嵌触控传感器】

3 月26 日消息，根据美国商标和专利局（USPTO）近日公示的清单，苹果公司获得了一项关于 Vision Pro 头显的技术专利，暗示苹果计划未来在 Light Seal 中嵌入触控传感器，从而为佩戴者提供更丰富的交互体验。

苹果现有 Light Seal 由柔软的纺织品制成，有各种形状和尺寸，可弯曲以贴合用户的脸部，该配件有助于阻挡外部光线，增强头显的沉浸式体验。

I苹果公司此前的专利中，就考虑在 Light Seal 中嵌入各种传感器，测量佩戴者体温、汗液、心率、心脏电信号（如心电图、心电图等）、额叶活动等指标，从而进一步分析佩戴者的反应或者参与度。

而在最新专利中，苹果构想将 Light Seal 设计成超大触控交互区域，在专利的一个示例中改用导电织物，内置传感器能够识别佩戴者的交互手势。

【传感器分类及20种常见传感器】

传感器的分类：

常用传感器的分类

1. 按被测物理量分类 机械量: 长度、厚度、位移、速度、加速度、转数、质

量，重量、力、压力、力矩；声: 温度: 声压、噪声；磁: 磁通、磁场；亮度、色彩。温度、热量、比热；光：

2. 按工作的物理基础分类: 机械式，电气式，光学式，流体式等。

以下是20种常见的传感器，它们在我们的日常生活中广泛应用：

温度传感器（Temperature Sensor）：

用于测量温度，如恒温器和温度计。

湿度传感器（Humidity Sensor）：

用于测量空气湿度，常用于气象站和空调系统。

光敏传感器（Light Sensor）：

检测光线强度，如用于自动照明系统。

声音传感器（Sound Sensor）：

用于检测声音强度，常见于音频设备和安全系统。

压力传感器（Pressure Sensor）：

测量液体或气体压力，应用于汽车制造和气象学。

位移传感器（Position Sensor）：

用于测量物体的位移或位置，如在机械臂和汽车中的应用。

加速度传感器（Accelerometer）：

测量加速度，广泛应用于智能手机和运动跟踪设备。

磁感应传感器（Magnetic Sensor）：

检测磁场，如用于指南针和磁力计。

接近传感器（Proximity Sensor）：

检测物体的接近，常用于触摸屏和自动开关灯。

电容传感器（Capacitive Sensor）：

测量电容变化，例如在触摸屏上使用。

气体传感器（Gas Sensor）：

用于检测特定气体，如一氧化碳和二氧化碳传感器。

颜色传感器（Color Sensor）：

检测物体的颜色，广泛用于印刷和包装行业。

生物传感器（Biological Sensor）：

用于监测生物学参数，如心率和血糖水平。

速度传感器（Speed Sensor）：

测量物体的速度，应用于车辆的速度计和测速摄像机。

重量传感器（Weight Sensor）：

测量物体的重量，如用于称重和负载控制。

红外传感器（Infrared Sensor）：

检测红外辐射，如用于红外遥控器和人体检测。

压敏传感器（Pressure-sensitive Sensor）：

基于物体施加的压力来检测接触，如触摸屏。

射频识别（RFID）传感器：

用于标识和跟踪物体，如在物流和库存管理中使用。

光电传感器（Photodetector）：

检测光信号，广泛应用于摄像机和扫描仪。

位角传感器（Angular Position Sensor）：

测量物体的角度或方向，如用于航空导航和机器人技术。

这些传感器形成了我们现代科技的基础，广泛应用于各种行业和领域，提高了生活质量、生产效率和安全性。

审核编辑 黄宇