实时监测复杂形态上的微小变形，对于精密生物力学工程领域至关重要。虽然柔性应变传感器凭借其形状自适应特性，便于实时监测，但其灵敏度通常低于光谱成像方法。基于裂纹（crack）的应变传感器在应变计因子（GF）超过30000时，灵敏度显著提升；然而，这种应变计因子仅在超过百分之几的大应变时才能达到，并且当应变低于10⁻³时，应变计因子会下降至10以下，这使得常规基于裂纹的应变传感器难以满足微小变形的监测需求。
据麦姆斯咨询报道，近日，由韩国首尔大学（Seoul National University）、亚洲大学（Ajou University）和檀国大学（Dankook University）等组成的联合研究团队提出了一种超灵敏且柔性的“超构裂纹（meta-crack）”传感器，该器件能够凭借此前尚未发现的裂纹开裂机制来检测极其微小的应变。这种传感器在泊松比为-0.9的衬底上，当应变为10⁻⁴时，可实现超过1000的应变计因子。通过简化模型和有限元分析（FEA）证实，与裂纹方向无关的间隙扩展行为揭示了这种超灵敏性的根源所在。此外，超构裂纹的并联机械电路有效地解决了分辨率与最大传感阈值之间的权衡难题。以10⁻⁵的应变分辨率对脑血管动力学进行活体实时监测，凸显了这种传感器的超灵敏特性和保形适应性。这项研究成果以“Hypersensitive meta-crack strain sensor for real-time biomedical monitoring”为题发表在Science Advances期刊上。
图1阐释了一种用于超灵敏应变传感器的超构裂纹的结构及工作原理，该超构裂纹利用泊松比控制裂纹的开裂程度。图1A呈现了超构裂纹传感器的剖视图，该传感器由裂纹诱导导电层（Mo，厚度50 nm）、粘合层（MoO₃，厚度15 nm）以及嵌入拉胀结构（auxetic structure，即为负泊松比结构）衬底构成。图1B和图1C展示了该传感器显著提升的灵敏度，图1D和图1E展示了依据衬底不同泊松比所呈现的不同裂纹开裂情况。
图1 用于微小应变监测的超灵敏超构裂纹
超构裂纹传感器的性能在应变灵敏度方面展现出广泛的可调性，这归因于裂纹开裂行为的变化导致的衬底泊松比的可控性。因此，研究人员针对不同负泊松比衬底对超构裂纹传感器灵敏度的影响展开了研究，相关结果如图2所示。
图2 不同负泊松比衬底对超构裂纹传感器灵敏度的调节作用
应变传感器在其应变分辨率与最大传感阈值之间往往面临权衡难题，利用负泊松比和正泊松比的互补组合设计并联电路，可以攻克这一难题。因此，研究人员通过修改衬底设计并采用并联电路拉胀结构，来对超构裂纹传感器的传感范围进行调节，相关结果如图3所示。
图3 通过修改衬底设计并采用并联电路拉胀结构，来对超构裂纹传感器的传感范围进行调节
基于薄膜的柔性超构裂纹传感器在MEMS应用中展现出结构适应性，可实现对应变、压力以及力的超灵敏监测。图4A展示了使用沟槽结构和超构裂纹传感器的代表性MEMS应用的图示和照片。超构裂纹传感器被附着在PDMS沟槽中间边缘的正上方，由于温度变化或物理接触所引发的机械形变，会使其产生最大程度的集中应变。图4D和图4E展示了使用MEMS结构检测极小应变，进而实现对真菌生长力情况的持续监测。
图4 集成MEMS的超构裂纹传感器在各类监测应用中的结构适应性
超构裂纹传感器凭借易于制造的阵列型薄膜形式，能够针对通用目标开展实时连续、形状自适应性监测，以及保形覆盖的空间映射。这种柔性且柔软的传感平台具有超灵敏性，适用于生物系统，特别适用于对远离心脏部位的脑血管动力学进行实时监测。它有助于尽早发现外伤性脑损伤期间的异常颅内压变化，并能助力探索之前由于灵敏度低而无法涉足的未知的机械生物学。图5展示了对犬模型大脑皮层表面与脑血管动力学相关的微小生物力学信号进行的实时监测，由于应变变化极为微小（10⁻⁴量级），这在此前被认为颇具挑战性。
图5 对犬脑脑血管动力学的活体监测以及用于无线监测的近场通信（NFC）系统集成
综上所述，这项研究开发了一种超灵敏超构裂纹传感器。该超构裂纹传感器可在微小应变范围内对微小的机械变形进行超灵敏、实时、连续且形状自适应监测。该传感器使用数个代表性负泊松比来实现其功能，通过采用更广泛的拉胀结构设计并优化拉胀图案的填充率，便能够实现多种负泊松比，从而对尚未发现的裂纹开裂行为进行建模和实验验证。这样就能针对特定应变区域的电阻信号进行定向放大和滤波，从而为战略应用提供更优化的应变灵敏度。超构裂纹传感器展现出多种特性，例如对应变和力具有出色的检测极限、可调的传感范围（克服了其与传感分辨率之间的权衡难题）、与MEMS结构的集成能力（适用于各类应用）以及作为监测脑血管动力学的极具潜力的工具，并且无需后信号处理系统。
论文链接：
https://doi.org/10.1126/sciadv.ads9258
