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科学家在柔性应变传感器研究方面取得进展




近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员费广涛课题组在柔性应变传感器的制备及力敏特性研究方面取得新进展，相关研究成果以Flexible strain sensor with high performance based on PANI/PDMS films 为题发表在Organic Electronics（47 (2019) 51-56）杂志上。


随着科学技术的快速发展，传感器在生物医学检测、智能机器人、柔性显示、可穿戴设备等领域得到了广泛的应用，这些领域往往需要传感器具有可弯曲、可拉伸的特点，能够满足贴附在各种不规则的表面上的需求。此外，一个好的应变传感器还应具有高灵敏度(GF)、低电阻值的特性。GF太低意味着传感器探测应变时由于变化量小容易出现信号误差，电阻值过大意味着需要配备高精密且昂贵的测试仪器。


目前研究的柔性应变传感器敏感材料通常有两类：一类是以银、碳管、石墨烯等导电材料为应变敏感材料的传感器，该类传感器具备低的电阻值，同时GF也很低；另一类是以半导体材料为应变敏感材料的传感器，该类传感器具备高的GF，但是电阻也很高。这两类传感器在商业应用中都受到了一定的限制。因此，设计一种电阻低、GF高的柔性传感器迫在眉睫。


聚苯胺(PANI)是一种导电高分子材料，经质子酸掺杂后的电导率处于金属与半导体之间，并且可以随着酸掺杂浓度而改变，因此将聚苯胺与弹性材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)结合有望达到电阻低、GF高的要求。基于此，课题组博士宫欣欣和副研究员方明等采用PANI为导电层，PDMS为弹性层制备了PANI/PDMS复合薄膜柔性应变传感器，并对该传感器的性能进行了研究。实验结果表明，PANI/PDMS复合薄膜传感器具备一定的柔性(图1)，可以拉伸至50%的应变量，GF值较高可以达到54，远**其它材料构筑的柔性应变传感器，同时具备优秀的循环稳定性(图2)，在监测人体活动中具备潜在的应用前景(图3)。

无线传感器网络结构介绍


无线传感器网络系统通常包括汇聚节点（Sink node）、传感器节点（Sensor node）与管理节点。


大量传感器节点随机部署在监测区域附近或者内部，传感器节点检测的数据沿着其他的传感器节点逐条地进行传输，在传输的过程中检测数据可能会被多个节点进行处理，经过跳后路由到汇聚的节点，然后通过卫星或者互联网传输到达管理节点，而用户通过对节点的管理对传感器网络进行管理、发布监测数据和管理。

无线传感器网络的应用范围问题
前些时间在几个地方做了几次关于Sun SPOT的讲座。经常遇到的一个问题就是无线通讯是否可靠的问题，根据我个人的理解，尝试着解答一下吧。


不管是有线通讯还是无线通讯，其基本原理都是一样的。原始信息在发射机端经过调制之后通过某种信号传递介质发送给接收机，接收机端通过解调得到原始信息。无线通讯和有线通讯的根本区别，就在于其信号传递介质。在有线通讯中，这个信号传递介质通常是某种电传导介质（或者是光传导介质），在这种介质上所传递的信号是电信号（或者是光信号）。在无线通讯中，这个信号传递介质通常是大气，在这种介质上所传递的信号是电磁波。从通讯理论上来讲，只要这两种信号传递介质都是导通的，那么其可靠度水平是相当的。说有线通讯比无线通讯更加可靠，其实是觉得看得见摸得着的线缆比看不见摸不着的空气更加实在。再往远处扯一扯，则是“虚”和“实”的本质问题，是可以做一篇哲学论文的。


任何通讯介质，都有其固有的弱点。有线介质不但怕虫吃鼠咬，更怕民工拿锄头乱挖；无线介质虽然怕障碍物阻挡，但是至少不会被虫子咬断。 所以，无线和有线，是各自有其应用环境的。在合适的应用环境里，就能够充分体现出其优点来。在不合适的应用环境里，理论上说得再好也没用。


无线传感器网络之所以会在未来有广阔的前景，在于它很好地解决了最后一公里，最后一百米，最后十米，或者是最后一米的问题。举个例子说，我国较近几年建设的高速公路，基本上都有光缆覆盖，其带宽足以支撑实时的视频监控应用。但是，高速公路沿途的各种摄像头和传感器是不能够直接接入光缆的，因为每在光缆上接入一个设备，就需要接入一对昂贵的光栅机。通常的做法，是将光缆作为骨干网，每隔一定的距离部署一对光栅机作为主节点，主节点附近的各种设备通过其他方式组成局部子网进行通讯，局部子网上的各种设备将主节点作为数据池（Data Sink），数据池上的数据通过主节点并入骨干网，并较终传输到远程数据采集、分析、控制终端。如上所述之最后N 米问题，用有线的解决方案往往是不太方便的，譬如说在已经通车的高速公路周边部署新的传感器，就不能够频繁地考虑将高速公路挖开铺设新的线缆这种可能性。


无线传感器网络的另外一个应用范围，是不便搭设有线通讯设备的环境。譬如说隧道施工现场和地下矿井矿山，施工现场的复杂性，以及传感器的数量级，使得搭设可靠的有线通讯环境非常困难。尽管无线通讯确实会由于施工现场中的种种障碍受到干扰，但是由于我们能够轻易地将无线传感器节点部署到施工现场的各个角落，从而构建起一个全面覆盖的无线通讯网络。在施工现场发生变化的时候，我们还能够轻易地通过调整无线传感器节点的物理位置来适应施工现场所发生的各种变化。这样的灵活性，是有线网络所远远不能够相比拟的。

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