Обзор подводного датчика деформации. (a) Процесс изготовления датчика деформации «амфибии». (b) Исходный датчик и датчик после 20% растяжения и скручивания. (c) Кончик трещины под микроскопом при нулевой и 20% деформации. (d) Схематический вид сбоку трехслойной структуры датчика деформации. (e) Вид сбоку датчика деформации под микроскопом при нулевой и 20% деформации.
Исследователи продемонстрировали метод создания датчиков, которые могут работать как в воздухе, так и под водой. Этот подход прокладывает путь для «амфибийных» датчиков с областями применения от мониторинга дикой природы до биомедицинских приложений.
Новые результаты сосредоточены на датчиках деформации, которые измеряют деформацию, то есть их можно использовать для измерения того, как предметы растягиваются, сгибаются и движутся.
«Например, существует интерес к созданию датчиков деформации, которые можно использовать в биомедицинских приложениях, таких как датчики, которые можно использовать для наблюдения за поведением кровеносных сосудов и других биологических систем», — говорит Шуан Ву, первый автор статьи о работе и научный сотрудник в Университете штата Северная Каролина.
«Другие возможные применения включают создание датчиков, которые могут измерять, как рыбы двигаются под водой, контролировать здоровье диких животных и т. д.»
«Однако большой проблемой при создании таких носимых или имплантируемых датчиков деформации является обеспечение того, чтобы датчики могли работать во влажной среде», — говорит Юн Чжу, соавтор статьи и заслуженный профессор механики и аэрокосмической техники имени Эндрю А. Адамса в Университете штата Северная Каролина.
«Наша цель в этой работе состояла в том, чтобы создать датчики, которые могли бы работать долгое время во влажной среде, не жертвуя производительностью датчика», — говорит Ву.
Имея эту цель в виду, исследовательская группа начала с использования чувствительного датчика деформации, разработанного ею в конце 2022 года. Затем исследователи поместили датчик между двумя тонкими пленками из высокоэластичного водонепроницаемого полимера.
Видео этих испытаний для подтверждения концепции.
Полимер инкапсулирует датчик. Это не допускает попадания воды, но не ограничивает движение материала датчика, как большинство других инкапсуляций, благодаря уникальной конструкции интерфейса. Это придает датчику желаемую чувствительность и растяжимость. Датчик можно подключить к небольшому чипу, который передает данные по беспроводной связи.
«В ходе экспериментов мы обнаружили, что амфибийные датчики чувствительны и имеют быстрое время отклика», — говорит Ву. «И мы обнаружили, что производительность датчиков была одинаковой, независимо от того, находился ли датчик на воздухе или после погружения в соленую воду на 20 дней».
«Датчики также очень стабильны — их производительность не упала даже после растяжения в 16 000 раз», — говорит Чжу.
Чтобы продемонстрировать функциональность амфибийных датчиков, исследователи использовали датчики для отслеживания движений роботизированных рыб и контроля кровяного давления в сердце свиньи. Исследователи также создали перчатку, включающую амфибийные датчики, используя датчики для преобразования сигналов руки аквалангиста в сообщения, которые могли бы читать люди, находящиеся в воде или на суше.
«Идея заключалась в том, чтобы создать простой способ для аквалангистов эффективно общаться с другими дайверами под водой или членами экипажа, все еще находящимися на лодке», — говорит Ву.
«Мы подали патентную заявку на эту технологию и открыты для сотрудничества с отраслевыми партнерами для включения этих датчиков в различные приложения», — говорит Чжу.
Статья «Инкапсулированные растягивающиеся амфибийные датчики деформации» опубликована в журнале Materials Horizons. Соавтором статьи является Доюн Ким, научный сотрудник-постдок в Университете штата Северная Каролина; Сяоци Тан, аспирант NC State; и Мартин Кинг, профессор в Wilson College of Textiles NC State.
Дополнительная информация: Шуан У и др., Инкапсулированные растягивающиеся амфибийные датчики деформации, Materials Horizons (2024). DOI: 10.1039/D4MH00757C
Информация о журнале: Materials Horizons Предоставлено Университетом штата Северная Каролина
