多重功能纤维基柔性电子皮肤的结构、性能与工作机制研究
批准号:
U20A20257
项目类别:
联合基金项目
资助金额:
261.0 万元
负责人:
王栋
依托单位:
学科分类:
高分子材料加工与成型
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
王栋
中文摘要
智能制造、国防军工等国家战略产业的快速发展对能够高效感知和分辨压力、温度和湿度多重刺激的柔性电子皮肤提出了迫切需求。本项目拟通过纤维、纱线和织物形态结构的创新,探索能够分别对压力、温度和湿度刺激产生分级可逆变化的多级导电通路结构的构造方法,构建在宽刺激区间内传感灵敏度高、响应速率快、性能稳定且抗干扰的电阻式纤维基柔性压力、温度和湿度离散传感单元,揭示导电材料及其通路的结构演变过程和电阻变化规律;设计将多重离散传感单元、信号采集电极和信号线编织集成的新方法,构筑具有三维柔顺性和舒适性,能在大面积内实现多重传感功能的纤维基柔性电子皮肤,揭示复杂应力、温湿度刺激在各离散传感单元中的传递机制、分布规律和抗干扰机制;建立多重功能纤维基柔性电子皮肤的结构与性能间的关系,阐明多重离散传感单元的协同机制和工作机理。本项目将为高性能柔性电子皮肤的研究提供新的思路,并为其宏量制备和广泛应用提供理论和技术支撑。
英文摘要
The rapid development of national strategic industries, such as intelligent manufacturing and national defense industries, has placed an urgent need on flexible electronic skins that can efficiently sense and distinguish multiple stimuli of pressure, temperature and humidity. This project intends to explore the construction methods of multi-level conductive path structures that can produce hierarchical and reversible changes to pressure, temperature and humidity stimuli through innovations in fiber, yarn and fabric morphology and structure. The fiber-based resistive flexible pressure, temperature and humidity discrete sensing units with high sensitivity, fast response rate, stable performance and anti-interference in a wide stimulation interval are prepared. The structural evolution processes and resistance change laws of conductive materials and their pathways are revealed. A new method of weaving and integrating multiple discrete sensing units, signal acquisition electrodes and signal lines into a fiber-based flexible electronic skin which has the capability of realizing multiple sensing functions in a large area, as wells as the three-dimensional flexibility and comfort, is designed. In addition, the transmission mechanism, distribution law and anti-interference mechanism of complex stresses, temperature and humidity stimuli in each discrete sensor unit are clarified. The relationship between the structure and performance of multi-functional fiber-based flexible electronic skin is established. Furthermore, the cooperative mechanism and working mechanism of multiple discrete sensor units are proposed. This project will shed new lights on the research of high-performance flexible electronic skin, and provide both theoretical and technical supports for its mass production and wide applications.
随着智能终端与可穿戴设备快速发展,电子皮肤在医疗监护、人机交互等领域应用前景广阔。本项目围绕纤维基柔性电子皮肤的多维度感知需求,系统开展材料复合、结构设计与系统集成结构研究,构建兼具高灵敏度、抗干扰性及舒适性的多模态传感体系, 已经完成了预期目标并形成了相应的研究成果。项目主要成果包括:.1).结合预拉伸-原位沉积工艺创新弹性包芯纱结构,使用模量梯度设计构建了应变自适应压力传感单元,30%拉伸应变下器件性能偏差降至8.1%,结合有限元仿真建立了纤维-纱线-织物多尺度力电耦合模型。开发了疏水纳米涂层与热膨胀调控策略,协同抑制温湿度漂移,设计双层纺织结构定向输水提升复杂环境鲁棒性。.2).通过亲/疏水材料与导电网络的梯度复合,结合静电纺丝、湿法纺丝等工艺,开发了多级孔道结构的纤维基湿度传感单元,揭示了亲水组分形貌对水分子扩散路径的调控机制,并利用疏水材料空间排列与导电网络拓扑优化抑制温漂与机械干扰。.3).通过材料复合、结构设计与工艺调控构建了高性能温度传感体系。设计螺旋结构导电纱线,优化负温度系数响应,并通过双钙钛矿荧光纤维实现宽温域可视化监测。.4).系统集成层面,通过纳米纤维增强导电纱线优化高密度阵列微结构,提出了电极固有电阻与接触电阻平衡的低噪声传输策略,并融合压力、温湿度、心电及血氧等多源传感单元,采用分层信号线编织与弹性热熔膜工艺实现异质单元共形集成,临床标准化定位与代谢敏感区部署保障多模态信号高保真同步采集。.本项目通过四年的研究,形成了以下研究成果:相关研究内容发表SCI论文32篇,申请发明专利10项,其中授权7项;合作培养博士研究生6名,其中4名已毕业,2名在读;培养硕士研究生15名,其中9名已毕业;博士后1名。
具有非对称结构的纳米纤维基柔性仿生智能驱动膜的研究
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批准号:51873166
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项目类别:面上项目
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资助金额:59.0万元
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批准年份:2018
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负责人:王栋
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依托单位:
纳米纤维基柔性电子皮肤的构筑和结构与性能的研究
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批准号:51473129
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项目类别:面上项目
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资助金额:78.0万元
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批准年份:2014
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负责人:王栋
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依托单位:
微生物燃料电池用高导电性和生物相容性的三维多孔纳米纤维膜阳极的研究
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批准号:51273152
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项目类别:面上项目
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资助金额:80.0万元
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批准年份:2012
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负责人:王栋
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依托单位:
具有快速检测与杀灭生物有害物质协同功能的纳米纤维膜传感器
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批准号:51003083
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:20.0万元
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批准年份:2010
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负责人:王栋
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依托单位:
国内基金
海外基金