人们亟需一种能够连续读取压力读数的高灵敏度、多功能压力传感器，尤其是用于精确的步态分析。
据麦姆斯咨询报道，近日，美国德克萨斯农工大学学院站分校（Texas A&M University，College Station）和马里兰大学帕克分校（University of Maryland，College Park）的研究人员组成的团队通过低成本工艺，采用共晶镓铟（EGaIn）液态金属作为传感材料，EcoFlex 00-30硅酮作为基底，制造了一种灵敏、可靠的压力传感器。该器件的架构具有一个微通道，可形成两个独立的传感器件，基底和传感材料的机械性能有助于提高可拉伸性和柔性，从而使灵敏度达到66.07 MPa⁻¹，测量分辨率低至0.056 kPa。该传感器能够准确检测施加的压力，并能够区分大范围内的压力分布。当单个传感器连接到脚上时，研究人员展示了如何利用该传感器高效地监测人体以各种速度行走的步态，并能区分不同的行走姿势。本文所提出的微通道压力传感器在步态分析的临床和康复应用中具有巨大的潜力。上述研究成果以“Microchannel pressure sensor for continuous and real-time wearable gait monitoring”为题发表于Communications Materials期刊。
微通道设计架构
本文所提出的压力传感器在EcoFlex基底上采用了填充EGaIn的优化微通道，展示了一种独特的微通道架构方法。该传感器的微通道是根据团队之前报道的工艺制造的，实验细节如图1所示。首先将EcoFlex 00-30预聚物倒入塑料模具中，在室温下固化4小时，获得开放式微通道。接着将具有开放微通道的基底以倒置方向附着到旋涂硅酮背衬层上，以覆盖微通道。随着背衬层的固化，获得了充满空气的微通道。最后使用注射器注入法将液态EGaIn合金引入微通道，并通过将铜线连接到每个传感通道来完成制造。
图1 微通道压力传感器制造的示意图
图2a和2b显示了微通道压力传感器的设计，图2c显示了压力测量装置和传感器的图片。传感器由两个传感通道构成，在图2a中分别用红色和绿色线条标记。根据微通道的架构方法，传感器配置可以系统地分为五个离散部分，如图2a所示。每个部分总共由12个微通道组成，由传感通道1（绿线）和传感通道2（红线）组合而成。这种设计使传感器能够很好地区分五个不同的部分，从而检测到压力位置。图2b显示了传感器设计的详细尺寸信息，包括微通道（500 μm）和截面（1.5 mm）之间的间距。为了测试传感器性能，通过定制的压力测试仪对传感器施加了各种压力，范围从0到0.1 MPa，如图2c所示。
图2 微通道压力传感器设计与测试装置
微通道压力传感器性能分析
图3显示了微通道压力传感器的性能测试结果。研究人员还对该压力传感器进行了循环测试，结果如图4所示。
图3 微通道压力传感器测试结果
图4 微通道压力传感器在施加高达0.05 MPa的压力下的循环测试结果
微通道压力传感器的应用：可穿戴步态监测传感器
本文所开发的微通道压力传感器在步态监测中得到了实际应用，重点分析单腿在运动过程中的动态步态模式。如图5a所示，压力传感器利用Velcro绑带固定在受试者的右脚上。图5b提供了与Arduino连接的详细配置说明。研究人员通过记录整个步态周期中R₁和R₂的电阻变化来评估受试者右脚在静止和动态阶段的压力分布，其中R₀表示R₁和R₂的初始值。放置在前脚掌上的传感器有助于深入检测整个步行周期的压力分布。受试者被指示执行不同的步态姿势，包括正确行走（1 mph）、错误行走（1 mph）和慢跑（5 mph）。图5e显示了每种姿势对应的电阻变化。结果揭示了与不同步态姿势相关的不同而特定的模式，并且这些模式在每个测试期间保持一致，突出了所开发的压力传感器有效区分步态姿势的能力。
图5 微通道压力传感器作为步态监测系统的应用
综上所述，这项研究开发了一种专为步态监测应用定制的高灵敏度压力传感器。该压力传感器采用经济高效的制造工艺制造，充分利用了EcoFlex和EGaIn液态合金出色的超拉伸特性。本文所提出的压力传感器表现出卓越的特性，包括在承受高达100 kPa的压力下电阻的非线性变化，以及高达72 dB的出色信噪比（SNR）。两个传感通道的结合及其创新设计允许同时测量绝对压力值和施加压力的精确定位。因此，该微通道压力传感器在准确识别各种人体步态姿势方面表现出色。压力传感器的测试结果提供了宝贵的见解，表明其在临床应用和康复研究中的应用前景广阔。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s43246-024-00570-9
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