Cat-snorharen inspireren zeer gevoelige draagbare druksensoren van de volgende generatie

Flexibele druksensoren kunnen subtiele mechanische stimuli detecteren, waardoor ze geschikt zijn voor gebruik in draagbare sensoren voor monitoring van de mens en bewegingsanalyse. Huidige sensoren lijden echter aan onvoldoende gevoeligheid, slechte duurzaamheid en onvoldoende stabiliteit. In een nieuwe studie, die inspiratie op de hoogte van CAT-snorharen, ontwikkelden onderzoekers nieuwe biomassa-vezels/natriumalginaat-airgel (BFA) gebaseerde sensoren die uitstekende drukgevoeligheid, duurzaamheid en snelle respons vertoonden, terwijl ze geschikt waren voor menselijke fysiologische monitoring en bewegingsanalyse.

De snelle ontwikkeling van draagbare elektronische sensoren voor gebruik bij gezondheidsbewaking, bewegingsanalyse en interactietoepassingen voor mens-machine heeft een verhoogde vraag naar flexibele druksensoren die in staat zijn om subtiele mechanische stimuli te detecteren. In het bijzonder hebben piëzoresistieve sensoren veel aandacht getrokken onder onderzoekers vanwege hun eenvoudige structuur, eenvoudige signaaluitlezing en uitstekende integratiemogelijkheden. Conventionele ontwerpen lijden echter aan slecht aanpassingsvermogen aan vervormingen en onvoldoende gevoeligheid tijdens langdurig gebruik, waardoor duurzaamheid en stabiliteit in gevaar wordt gebracht.

Onlangs zijn koolstofaerogels, waaronder grafeen, koolstofnanobuisjes, op biomassa gebaseerde koolstof en mxene-aerogels, naar voren gekomen als veelbelovende alternatieven vanwege hun ultralichtgewicht, uitzonderlijke geleidbaarheid en expansieve specifieke oppervlakken. Op biomassa gebaseerde aerogels zijn vooral veelbelovend vanwege hun milieuvriendelijkheid, duurzaamheid en mechanische stabiliteit.

Hun fabricage is echter gebaseerd op hoge temperatuur, energie-intensieve methoden. Bovendien kunnen traditionele wijzigingen na de behandeling hun stabiliteit en gevoeligheid op lange termijn beïnvloeden, terwijl ze ook grootschalige productie beperken.

Om deze kwesties aan te pakken, ontwikkelde een onderzoeksteam onder leiding van universitair hoofddocent Chunhong Zhu van de Shinshu University, Japan, innovatieve nieuwe Cat Whisker-geïnspireerde biomassa-vezel/natriumalginaat Aerogels (BFAS) voor flexibele druksensoren.

“Katten, bekend om hun uitzonderlijke behendigheid en sensorische scherpte, zijn sterk afhankelijk van hun goed ontwikkelde sensorische systemen voor ruimtelijk bewustzijn”, legt Assoc. Prof. Zhu.

“Hun snorharen, of Vibrissae, zijn robuuste maar zeer sterk gevoelige tactiele detectoren, diep ingebed in speciale structuren genaamd follicle-sinus complexen (FSC’s), die zwakke mechanische signalen versterken en omzetten in neurale stimuli, die katten kunnen detecteren om uitstekende gevoelig te zijn en fsc. en stabiliteit. “

Het team omvatte ook Dandan Xie, een Ph.D. Student, ook van de Shinshu University. Hun studie was gepubliceerd Online in het dagboek Geavanceerde functionele materialen op 23 juli 2025.

De onderzoekers gebruikten lange, hoogwaardig, hoogwaardig en milieuvriendelijke hennepmicrovezels (HFS) als de vezelmatrix voor BFA-constructie. De HF’s werden voor het eerst onderworpen aan in-situ polymerisatie met polyaniline, resulterend in een uniforme geleidende coating, die de duurzaamheid en de grensvlak hechting verbeterde. De resulterende Polyaniline-gecoate HF’s (PHF’s) werden vervolgens geïntegreerd met natriumalginaat, die diende als het functionele bindmiddel, via een vries-syergistische assemblagestrategie om een ​​zeer poreuze en ultralichte airgelstructuur te produceren.

In dit ontwerp bootsen de PHF’s de rol van kattenvibrissae na, in staat om zwakke mechanische storingen te vangen en over te dragen, terwijl de poreuze holtestructuur de sinusholten van de FSC’s emuleert, die werken als lokale buffer- en versterkingseenheden. Wanneer een extern mechanisch signaal door de vezels wordt overgedragen, vervormt de poreuze holte, die de PHF’s buigt. Deze vervorming wordt getransduceerd in detecteerbare weerstandsveranderingen en uitvoersignalen.

In experimenten vertoonde de op BFA gebaseerde sensor uitstekende vermoeidheidsweerstand en dynamische respons onder verschillende belastingssnelheden, een hoge gevoeligheid van 6,01 kPa^-1en een snelle responstijd van 255 milliseconden. Bovendien demonstreerde de op BFA gebaseerde sensor veelbelovende toepassingen in menselijke fysiologische monitoring, het effectief vastleggen van carotispulssignalen en het herkennen van menselijke bewegingspatronen. Bovendien heeft deze sensor handschriftherkenning en op Morse-code gebaseerde informatie-transmissie mogelijk gemaakt.

Belangrijk is dat de onderzoekers met succes de ontwikkelde sensor gebruikten in sportmonitoring, waar het signaalwijzigingen nauwkeurig vastlegde tijdens verschillende badminton -serveertechnieken. Deze sensor kan worden opgenomen in draagbare accessoires of zelfs in racket -grepen, waardoor waardevolle gegevens worden geboden voor de prestatie -optimalisatie van spelers en bewegingsevaluatie door het meten van drukvariaties.

“Ons onderzoek biedt een groene, schaalbare oplossing voor het ontwikkelen van draagbare druksensoren, het vermijden van energie-intensieve carbonisatie en of complexe verwerking”, merkt Assoc. Prof. Zhu.

Dit bio-geïnspireerde ontwerp markeert een belangrijke stap in de richting van de ontwikkeling van milieuvriendelijke en zeer gevoelige draagbare sensoren, met een breed potentieel in sportanalyses en biomedische monitoring.