Piezoresistive Nano-composite Sensors for Wide-range Strain: Applications in Biological Soft Tissue

适用于宽范围应变的压阻纳米复合传感器:在生物软组织中的应用

基本信息

  • 批准号:
    1235365
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 22.5万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2012
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2012-09-01 至 2016-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The research objective of this project is to test the hypothesis that the physics behind a new class of piezo-resistive nano-composites can be modeled using a novel tunneling/percolation model, and that the resultant sensors can be used for sensing large strains in biological tissue. This hypothesis will be tested using various innovative characterization and modeling approaches applied to an advanced nano-nickel conductive composite. Focused-ion beam and high-frequency impedance analysis of quantum junctions will unveil the nano-level structure while new nano-indentation techniques will extract quantum tunneling parameters for elastomeric polymers that provide candidate matrix materials. Finite element analysis will be used to track evolution of nano-junctions under strain, and feed a dynamic percolation model that will capture the piezo-resistive effect. The resultant state-of-the-art model will guide sensor design for employment in the area of biological soft tissue. Two biological studies will form the vehicle for application and validation of the scientific investigation: characterization of ligament response in human spines, and tracking of strain on athletes.If successful, the project will enable important insights into the material behavior of human tissue. Additionally, the results will unlock the door to understanding a broad class of novel nano-composite sensor materials that may be developed. The proposed wide-range sensors will provide flexible and inexpensive measurement of the nonlinear, large-strain motions of materials that have previously been difficult or impossible to characterize. Potential applications in athletics, human-machine interfaces, virtual reality, biomechanics, and medicine are envisioned. Furthermore, the project will accomplish these goals while providing a strong educational focus on mentoring undergraduate and women engineering students.
该项目的研究目的是检验以下假设:新型压电耐药性纳米复合材料背后的物理学可以使用新型的隧道/渗透模型进行建模,并且可以将结果传感器用于感测大的生物组织中的菌株。 该假设将使用应用于先进的纳米尼克导电复合材料的各种创新表征和建模方法进行检验。量子连接点的聚焦离子束和高频阻抗分析将揭示纳米级结构,而新的纳米识别技术将为弹性体聚合物提取量子隧穿参数,以提供候选基质材料。有限元分析将用于跟踪应变下的纳米界面的演变,并提供一个动态渗透模型,该模型将捕获压电抗性效应。最终的最新模型将指导传感器设计,以在生物软组织领域就业。两项生物学研究将构成用于应用和验证科学研究的工具:人类脊柱中韧带反应的表征,以及跟踪运动员的应变。如果成功,该项目将使人们能够对人类组织的物质行为进行重要的见解。 此外,结果将解锁理解可能开发的大量新型纳米复合传感器材料的大门。所提出的宽量范围传感器将对以前难以或不可能表征的非线性大型材料运动进行灵活且廉价的测量。 设想了田径,人机界面,虚拟现实,生物力学和医学的潜在应用。 此外,该项目将实现这些目标,同时提供强烈的教育专注于指导本科生和女性工程专业的学生。

项目成果

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    $ 22.5万
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