Биодатчики давления нового поколения, вдохновлённые кошачьими усами
Гибкие датчики давления, способные улавливать слабые механические стимулы, востребованы для носимых сенсоров мониторинга здоровья и анализа движений. Однако существующие решения страдают от недостаточной чувствительности, низкой долговечности и нестабильности. Вдохновившись кошачьими усами, исследователи создали новые датчики на основе биомассных волокон и альгината натрия (BFA), которые продемонстрировали отличную чувствительность, долговечность, быстрый отклик и пригодность для мониторинга физиологических сигналов и анализа движений.
Пьезорезистивные датчики привлекательны простотой конструкции и лёгкостью считывания сигнала, но их долговременная чувствительность и стабильность часто недостаточны. Углеродные аэрогели, включая графеновые и биомассные, перспективны благодаря малому весу, высокой проводимости и большой удельной поверхности. Однако их производство обычно требует высоких температур, а модификации могут ухудшать стабильность.
Чтобы решить эти проблемы, команда под руководством доцента Чуньхуна Чжу из Университета Синсю (Япония) разработала инновационные аэрогели из биомассных волокон и альгината натрия (BFA), имитирующие кошачьи усы (вибриссы) и их фолликулярно-синусные комплексы.
«Усы кошек — это прочные, но высокочувствительные тактильные детекторы, — объясняет доц. Чжу. — Наши аэрогели имитируют как вибриссы, так и синусные полости, что даёт отличную чувствительность и стабильность».
Исследователи использовали прочные и экологичные конопляные микроволокна (HFs) в качестве матрицы. Волокна подвергли in-situ полимеризации с полианилином для создания равномерного проводящего покрытия, повышающего долговечность и адгезию. Полученные покрытые полианилином волокна (PHFs) затем интегрировали с альгинатом натрия (функциональным связующим) с помощью стратегии заморозки и синергетической сборки, получив высокопористую и ультралёгкую структуру аэрогеля.
В этой конструкции PHFs имитируют вибриссы, улавливая и передавая слабые механические воздействия, а пористая структура повторяет синусные полости, выступая в роли буфера и усилителя. При внешнем воздействии деформация пор изгибает PHFs, что преобразуется в изменение сопротивления и выходной сигнал.
В экспериментах датчик на основе BFA показал:
- Высокую устойчивость к усталости и динамический отклик при разной скорости нагрузки.
- Чувствительность 6.01 кПа-1.
- Время отклика 255 мс.
Датчик успешно применялся для:
- Мониторинга физиологических сигналов (например, пульса на сонной артерии).
- Распознавания паттернов движения человека.
- Распознавания почерка и передачи информации с помощью азбуки Морзе.
Важно, что датчик использовали для спортивного мониторинга: он точно фиксировал изменения сигнала при различных техниках подачи в бадминтоне. Его можно встраивать в носимые аксессуары или даже рукоятки ракеток для сбора данных об изменении давления, что полезно для оптимизации техники игрока.
«Наше исследование предлагает экологичное и масштабируемое решение для создания носимых датчиков давления, избегая энергоёмкой карбонизации или сложной обработки», — отмечает доц. Чжу.
Эта биоинспирированная разработка открывает путь к созданию экологичных высокочувствительных носимых сенсоров для спортивной аналитики и биомедицинского мониторинга.
Исследование опубликовано в журнале Advanced Functional Materials 23 июля 2025 года.