Mechanically robust, flexible hybrid tactile sensor with microstructured sensitive composites for human-cyber-physical systems

材料科学 压阻效应 电容感应 稳健性(进化) 压力传感器 灵敏度(控制系统) 碳纳米管 纳米技术 计算机科学 复合材料 机械工程 电子工程 生物化学 化学 工程类 基因 操作系统
作者
Zefu Li,Shuo Wang,Wenxuan Ding,Yonglin Chen,Meng Chen,Shujie Zhang,Zhuangjian Liu,Weidong Yang,Yan Li
出处
期刊:Composites Science and Technology [Elsevier BV]
卷期号:244: 110303-110303 被引量:20
标识
DOI:10.1016/j.compscitech.2023.110303
摘要

Advances in human-cyber-physical system (HCPS) requires multiple and multimodal sensory network to address the challenge of human-machine relationships, posing substantial potential for human health monitoring and human-centric smart manufacturing. However, combining electrical sensitivity and mechanical robustness of flexible sensors with simple device structure is still challenging. This work presents a flexible porous bimodal pressure sensor (PBPS) by fabricating 3D microstructured sensitive porous carbon-nanotubes composites (PCNC). The multi-layered PBPS can offer the ability to switch between piezoresistive and piezocapacitive sensing modes without altering the device structure, enhancing mechanical stability of device under loading/unloading cycles. This versatility allows for the detection of hardness discrimination, grabbing sensing, and dynamic human physiological signal recognition, which possess superior pressure sensing performances with a high sensitivity (0.1059 kPa−1 in piezoresistive mode, 0.2054 kPa−1 in capacitive mode), wide measuring range (0–25 kPa), rapid response time (<130 ms in piezoresistive mode, <55 ms in piezocapacitive mode), and long-term durability (>3000 cycles). Furthermore, we proposed a mechanical constitutive model to elucidate the sensing mechanism of microstructured PCNC by 3D micro-CT based modeling and experimental data. Finally, we employed multiple PBPSs as sensing elements to real-time monitor 3D printing manufacturing stress, structure assembling stress, and human physiology signals in HCPS, indicating the potential applications of PBPS ranging from monitoring human health to facilitating intelligent manufacturing.
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