长春工程学院《ACS ANM》：受含羞草启发，基于rGO/NiMoO4@CMF的压力传感器，用于健康监测和人机交互

成果简介

柔性可穿戴电子皮肤（e-skin）在健康监测、人机交互等领域具有巨大潜力。然而，传统设备往往无法在实现宽检测范围的同时保持高灵敏度。本文，长春工程大学Ping Cao等研究人员在《ACS Appl. Nano Mater.》期刊发表名为“Highly Sensitive, Wide-Sensing-Range rGO/NiMoO4@CMF Pressure Sensor Based on Biomimetic Mimosa Flowers for Health Monitoring and Human–Computer Interaction”的论文，研究受到仿生学的启发，提出了一种基于含羞草花的设计，并开发了一种复合压力传感设备（还原氧化石墨烯（rGO）/NiMoO4_@CMF）。

传感器的应变层经过水热生长，使钼酸镍（NiMoO₄）在三聚氰胺碳泡沫（CMF）表面就地生长。这增强了基底的形态，然后使用 rGO 增加导电性。用这种方法制备的装置在 0-12、12-29 和 29-40 kPa 范围内的灵敏度分别为 19.3、12.5和8.1kPa^-1。此外，该传感器还具有检测限低（10 帕）、响应速度快（160 毫秒）以及循环 5000 次后 86% 的循环保持率等特点。基于这些特点，柔性传感器可以实时检测人体的强烈运动，如手指弯曲、肘部运动和膝盖弯曲。研究表明，这种压力传感器在健康监测领域具有广阔的应用前景。

图文导读

图1. (a)rGO/NiMoO4@CMF 的制备过程。(b) 海绵压力传感器的组装和工作原理图。

图2. (a-c) CMF的扫描电镜图像。(d-f）NiMoO4@CMF 的扫描电镜图像。(g-i）rGO/NiMoO4@CMF 的图像。(j）rGO/NiMoO4@CMF 的 EDS 图像。(k-n）NiMoO4 的 XRD 和 X 射线光电子能谱（XPS）图像。

图3. rGO/NiMoO4@CMF压力传感器的性能图

图4. (a)rGO/NiMoO4@CMF 压力传感器电路图。(b) 压力传感器的工作机制。(c) 等效电路图。

图5. (a-c) CMF 在不同压力下的模拟图。(d-f）不同压力下NiMoO4@CMF 的模拟图。(g-i）rGO/NiMoO4@CMF 在不同压力下的模拟图。

图6. 通过rGO/NiMoO4@CMF 传感器对人体进行实时检测。(a) 发声实验。(b) 单词阅读识别测试。(c) 吞咽测试。(d) 手指弯曲测试。(e) 颈部弯曲测试。(f) 眨眼实验。(g) 手腕弯曲测试。(h) 大腿屈曲试验。(i) 鼠标点击测试。

图7：压力传感器的rGO/NiMoO4@CMF 人机互动模拟图。

小结

综上所述，本文根据含羞草的启发开发出了一种碳化海绵。海绵本身的多孔结构为传感器提供了理想的支撑框架。通过水热合成工艺，在碳化海绵表面建立了微观结构，并利用还原法合成了氧化石墨烯。加工过程大大提高了传感器的灵敏度。它具有高灵敏度、高线性度和宽工作范围。附着 PVA 的rGO/NiMoO4@CMF 压力传感器在 0-12、12-29 和 29-40 kPa 的宽压力范围内的灵敏度分别为 19.3、12.5和8.1kPa-1。然而，rGO/NiMoO4@CMF、GO/NiMoO4@CMF 和NiMoO4@CMF 的灵敏度分别只有10.1、2.9和1.5kPa-1。此外，该传感器还实现了低检测限（10 Pa）、快速响应能力（160 ms）和稳定的循环性能（5000 次）。该传感器的设计不仅具有精确的压力检测能力，还具有生物启发设计的美感和舒适性，为用户提供了更好的交互体验。

文献：https://doi.org/10.1021/acsanm.4c00446