澳大利亚：基于石墨烯纳米片和PVA水凝胶的仿生压阻流量传感器

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成果简介

流量传感器在监测流量参数（包括速率、速度、方向和旋转频率）方面发挥着关键作用。本文，澳大利亚麦考瑞大学的Sajad Abolpour Moshizi等研究人员在《Advanced Materials Technologies》期刊发表名为“Biomimetic Ultraflexible Piezoresistive Flow Sensor Based on Graphene Nanosheets and PVA Hydrogel”的论文，研究受人类前庭系统中生物毛细胞的启发，基于聚乙烯醇 (PVA) 水凝胶纳米复合材料开发了一种创新的流量传感器，该复合材料具有垂直生长的石墨烯纳米片 (VGN) 的迷宫状网络。

VGNs/PVA 水凝胶浸入水中时会吸收大量的水，使传感器对水下的微小刺激高度敏感。该传感器具有高灵敏度 (5.755mV(mms-1 )-1 ) 和极低速度检测 (0.022mms-1）。它还显示出在检测低至 0.1Hz 的低频振荡流方面的出色性能，使其适用于许多生物医学应用。作为传感器的潜在应用之一，它在模拟前庭毛细胞的各种生理条件方面表现出优异的性能。为了解释实验结果，开发了完整的有限元模拟来模拟 VGN/PVA 薄膜结构的压阻效应。这是开发基于水凝胶-石墨烯纳米片的流量传感器的首次尝试，它创造了最接近前庭毛细胞的人工传感器。这种微型毛细胞传感器为利用水凝胶开发用于生物医学应用的下一代超灵敏流量传感器铺平了道路。

图文导读

图1、制备流程示意图

图2、VGNs 和 VGNs/PVA 水凝胶的 SEM 显微照片

图3、PVA水凝胶流量传感器的机械性能

图4、振荡刺激测试

图5、侧向 SCC (LSCC) 的建模和制备。

图6、实验数据与数值模拟结果之间平均峰峰值电压的比较。

小结

在这个项目中，开发了一种仿生流量传感器，能够感应非常低的频率和流速以及前庭毛细胞应用的旋转方向（低至 0.1 Hz）。该设计的灵感来自前庭毛细胞，但所提议的传感器适用于低流速和频率的应用。

这种开创性的流量传感器的一个潜在应用是通过检测头部运动后的振荡流来充当半规管内的前庭毛细胞。为了模拟前庭系统，我们制造了一个旋转台来模拟通过三个旋转轴的头部运动，打印 LSCC，并将传感器嵌入其中。所提出的流量传感器被证明是一种完美的仿生毛细胞，因为它成功地检测了广泛的头部运动，如频率扫描、幅度扫描、偏航、俯仰和滚动轴旋转。检测由头部运动引起的微小频率 (0.1 Hz) 是该传感器的最佳功能，但即使现在该传感器在一个周期内检测到两个峰值。而且，传感器成功识别 LSCC 的主要旋转轴（偏航轴），通过该轴传感器在该特定方向上具有更高的响应。此外，为了评估实验数据，已经准备了一个数值设置来观察 LSCC 内的传感器和流体流动行为。在椭圆囊内观察到两个二次流，这在传感器周围提供了不均匀的压力分布。可以通过制作一个电路来模拟由传感器变形引起的压阻效应，从而根据电压预测传感器输出。这项研究的成功为开发基于石墨烯/水凝胶的流量传感器开辟了新的前景，不仅用于听觉和前庭器官假体，还用于其他生物医学应用（呼吸监测等）。

文献：

https://doi.org/10.1002/admt.202100783