Hypersensitive meta-crack strain sensor for real-time biomedical monitoring

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作者
J. Y. Lee,Yoon-Nam Kim,J. Lee,Jooik Jeon,Jae‐Young Bae,Ju‐Yong Lee,Kyung‐Sub Kim,Minseong Chae,Hyunjun Park,Jong‐hyoung Kim,Kang-Sik Lee,Jeonghyun Kim,Jung Keun Hyun,Daeshik Kang,Seung‐Kyun Kang
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science (AAAS)]
卷期号:10 (51): eads9258-eads9258 被引量:26
标识
DOI:10.1126/sciadv.ads9258
摘要

Real-time monitoring of infinitesimal deformations on complex morphologies is essential for precision biomechanical engineering. While flexible strain sensors facilitate real-time monitoring with shape-adaptive properties, their sensitivity is generally lower than spectroscopic imaging methods. Crack-based strain sensors achieve enhanced sensitivity with gauge factors (GFs) exceeding 30,000; however, such GFs are only attainable at large strains exceeding several percent and decline below 10 for strains under 10 −3 , rendering them inadequate for minute deformations. Here, we introduce hypersensitive and flexible “meta-crack” sensors detecting infinitesimal strains through previously undiscovered crack-opening mechanisms. These sensors achieve remarkable GFs surpassing 1000 at strains of 10 −4 on substrates with a Poisson’s ratio of −0.9. The crack orientation–independent gap-widening behavior elucidates the origin of hypersensitivity, corroborated by simplified models and finite element analysis. Additionally, parallel mechanical circuits of meta-cracks effectively address the trade-off between resolution and maximum sensing threshold. In vivo real-time monitoring of cerebrovascular dynamics with a strain resolution of 10 −5 underscores the hypersensitivity and conformal adaptability of sensors.
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