Исследователи из Университета Синсю в Японии представили инновационный дизайн гибких волоконных датчиков для носимых устройств, подстказанный структурой ДНК. Традиционные волоконные датчики с электродами на обоих концах часто выходят из строя при многократном движении, особенно в области суставов. Новый подход с двойной спиральной структурой размещает оба электрода на одном конце, что значительно повышает прочность и долговечность датчика при растяжении и движении.
Гибкие волоконные датчики используются в умных носимых устройствах, благодаря своему компактному размеру и легкости, что делает их идеальными для повседневного применения. Однако существующие конструкции часто сталкиваются с механическими проблемами, особенно при установке на такие части тела как пальцы или колени, где постоянное движение может привести к разрыву проводов и сбоям в измерениях.
Для решения этой проблемы исследователи предложили новый датчик с двойной спиральной структурой, напоминающей форму ДНК. Такой дизайн размещает оба электрода на одном конце волокна, что значительно снижает напряжение на соединениях и увеличивает долговечность устройства. Результаты работы были опубликованы в журнале Advanced Science.
«Эффективная конструкция электродов имеет критическое значение для производительности и срока службы носимых датчиков. Для одномерных волоконных датчиков это давно являлось проблемой, и наш новый дизайн решает ее напрямую», — отметил доцент Чунхун Чжу, ведущий автор исследования.
Двойная спираль ДНК поддерживается водородными связями между комплементарными парами оснований. Аналогичным образом исследователи скрутили два коаксиальных волокна, что позволило создать прочную и стабильную структуру. Волокна изготавливаются методом коаксиального мокрого прядения, с внешним изолирующим слоем и проводящим внутренним ядром, содержащим многостенные углеродные нанотрубки (MWCNT), а также добавки, такие как термопластичный полиуретан (TPU) и диоксид титана (TiO₂), которые повышают прочность и устойчивость материала.
После термической обработки два волокна образуют двойную спираль, с двумя электродами на одном конце. Это решение устраняет необходимость в сложной проводке на обоих концах, что является обычной проблемой в традиционных конструкциях.
Получившийся волоконный датчик TT/MT имеет диаметр менее 1 мм, что позволяет интегрировать его в носимый текстиль. Этот датчик отличается высокой долговечностью и способен выдержать более 1000 циклов растяжения, при этом растягиваясь на 300% своей первоначальной длины без поломки.
Этот датчик имеет широкий спектр применений, включая отслеживание жестов, мимики, движений и даже паттернов дыхания во время сна. Исследователи также отмечают, что этот дизайн может найти применение в носимых устройствах с Bluetooth-соединением, что откроет возможности для удаленного мониторинга здоровья, например, в реабилитации или спортивных тренировках. Такие датчики могут быть интегрированы в одежду для занятий с высокими нагрузками, например, в альпинизме, и использоваться для экстренных оповещений в случае несчастных случаев или проблем со здоровьем, таких как гипоксия.
Больше интересного – на медиапортале https://www.cta.ru/