科學家在柔性應變傳感器研究方面取得進展




近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所研究員費廣濤課題組在柔性應變傳感器的制備及力敏特性研究方面取得新進展，相關研究成果以Flexible?strain?sensor?with?high?performance?based?on?PANI/PDMS?films?為題發表在Organic?Electronics（47?(2017)?51-56）雜志上。


隨著科學技術的快速發展，傳感器在生物醫學檢測、智能機器人、柔性顯示、可穿戴設備等領域得到了廣泛的應用，這些領域往往需要傳感器具有可彎曲、可拉伸的特點，能夠滿足貼附在各種不規則的表面上的需求。此外，一個好的應變傳感器還應具有高靈敏度(GF)、低電阻值的特性。GF太低意味著傳感器探測應變時由于變化量小容易出現信號誤差，電阻值過大意味著需要配備高精密且昂貴的測試儀器。


目前研究的柔性應變傳感器敏感材料通常有兩類：一類是以銀、碳管、石墨烯等導電材料為應變敏感材料的傳感器，該類傳感器具備低的電阻值，同時GF也很低；另一類是以半導體材料為應變敏感材料的傳感器，該類傳感器具備高的GF，但是電阻也很高。這兩類傳感器在商業應用中都受到了一定的限制。因此，設計一種電阻低、GF高的柔性傳感器迫在眉睫。


聚苯胺(PANI)是一種導電高分子材料，經質子酸摻雜后的電導率處于金屬與半導體之間，并且可以隨著酸摻雜濃度而改變，因此將聚苯胺與彈性材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)結合有望達到電阻低、GF高的要求。基于此，課題組博士宮欣欣和副研究員方明等采用PANI為導電層，PDMS為彈性層制備了PANI/PDMS復合薄膜柔性應變傳感器，并對該傳感器的性能進行了研究。實驗結果表明，PANI/PDMS復合薄膜傳感器具備一定的柔性(圖1)，可以拉伸至50%的應變量，GF值較高可以達到54，遠**其它材料構筑的柔性應變傳感器，同時具備優秀的循環穩定性(圖2)，在監測人體活動中具備潛在的應用前景(圖3)。

無線傳感器網絡特點介紹


規模大


為了能夠獲取精確信息，在監測區域通常部署大量傳感器節點，一般情況下會達到上萬個甚至更多，傳感器網絡的大規模性主要包括了兩個方面的含義：一方面是傳感器節點的部署非常密集，在面積狹小的空間內密集的部署了大量的傳感器節點。另一方面，是傳感器節點分布在區域很大的范圍內，比如在原始的大森林中采用傳感器網絡進行森林防火的安全環境監測，這種在區域寬廣的范圍內需要部署大量的傳感器節點。


可靠性


無線傳感器節點非常適合部署在自然環境惡劣或者人類不宜居住的區域，這些節點可能工作在環境較惡劣的地方，遭受風吹、雨淋、日曬，還甚至遭到人或者動物的破壞，而這些傳感器節點往往采用隨機進行部署，部署的方式是利用飛機散播，或炮彈發射到*的區域進行部署，所以這些節點要非常堅固，不容易被損壞，可靠性很強。


自組織


在傳感器網絡應用中，通常情況下傳感器節點會被放置在沒有基礎結構的地方，其實傳感器節點的相隔距離、精確位置不能預先確定。你可以想象，通過飛機散播或者炮彈發射大量傳感器節點到面積廣闊的森林、山谷之中，這樣就必須要求傳感器節點本身具有自組織的能力，能夠進行自我管理和配置，通過網絡協議和拓撲控制機制自動形成轉發監測數據的多跳無線網絡系統。


動態性


傳感器網絡的拓撲結構有可能會因為下列因素而發生改變：①環境的變化可能會造成無線通信鏈路帶寬產生變化，有時甚至會時斷時通；②電力資源出現故障或耗盡導致的傳感器節點故障或者失效；③傳感器網絡的感知對象、傳感器與觀察者這三要素都可能具有移動性；④有新節點加入，通常這種情況就必須要求傳感器網絡系統要能適應這種變化，具有動態系統可重構性。


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無線傳感器網絡有哪些安全問題


安全路由


一般在無線傳感器網絡中，大量的傳感器節點都密集分布在一個區域內，信息傳輸可能要經過很多節點才能到達目的地，而且傳感器網絡具有多跳結構和動態性，因此，需要去每個節點都應具備路由功能，


由于每個節點都是潛在的路由節點，因此更易受到攻擊，這樣就可能使網絡不怎么安全，安全的路由算法會直接影響無線傳感器的可用性和安全性，安全路由協議一般是采用認證和鏈路層加密，身份認證、多路徑路由、雙向連接認證和認證廣播等機制，非常有效的提高了網絡抵御外部攻擊的能力，從而增強路由的安全性。

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荷蘭埃因霍溫理工大學已經開發出一種尺寸很小的無線溫度傳感器。這種傳感器可以利用射頻信號來獲得電力。


這意味著傳感器不必連接任何線纜，而用戶也不必為傳感器更換電池。對于智能樓宇等應用而言，這將是發展中的重要一步。
未來，智能樓宇將布滿傳感器，從而即時響應住戶的各類需求，而這樣的傳感器需要支持長時間使用，例如當用戶走進房間時打開空調和燈光開關。然而，傳感器必須是無線的，且不需要更換電池，才能滿足這樣的需求，否則在大樓內，用戶每天都要為不同傳感器更換電池。


埃因霍溫理工大學研究人員高浩(Hao?Gao，音)開發了這種傳感器，而這也是他的博士學位研究課題。他開發的傳感器僅有2平方毫米大小，重量僅為1.6毫克。


當前版本的傳感器傳感范圍只有2.5厘米，研究人員計劃在一年內使這一距離擴大至1米，而較終目標則是5米。傳感器配備了專門的路由器，內置的天線則可以將射頻電磁波傳送給傳感器，帶來電力。由于能量傳輸精確瞄準了傳感器，因此路由器只消耗非常少的電力。此外，傳感器自身的設計也使能耗保持在較低的水平。


這種傳感器可以埋置在油漆、塑料和混凝土的下方。埃因霍溫理工大學無線技術教授皮特·巴爾圖斯(Peter?Baltus)表示，這意味著傳感器可以方便地用于建筑物內。


傳感器內置的天線能通過路由器獲得能源。傳感器將會充電，而在電力足夠后，傳感器將會開機，測量溫度，并將信號發送給路由器。基于測量到的溫度，這一信號有著略微不同的頻率。而根據頻率的不同，路由器可以計算出實際溫度。


同樣的技術可以被用于其他類型的無線傳感器，例如運動傳感器、光線傳感器，以及濕度傳感器。巴爾圖斯表示，這一技術的應用范圍非常廣泛，例如可用于支付系統、無線身份認證系統、智能樓宇，以及工業生產系統中。此外，這一技術的成本不高：在大規模量產的情況下，單個傳感器價格可低至20美分。傳感器的生產基于65納米CMOS工藝。

無線傳感器網絡的應用范圍問題
前些時間在幾個地方做了幾次關于Sun?SPOT的講座。經常遇到的一個問題就是無線通訊是否可靠的問題，根據我個人的理解，嘗試著解答一下吧。


不管是有線通訊還是無線通訊，其基本原理都是一樣的。原始信息在發射機端經過調制之后通過某種信號傳遞介質發送給接收機，接收機端通過解調得到原始信息。無線通訊和有線通訊的根本區別，就在于其信號傳遞介質。在有線通訊中，這個信號傳遞介質通常是某種電傳導介質（或者是光傳導介質），在這種介質上所傳遞的信號是電信號（或者是光信號）。在無線通訊中，這個信號傳遞介質通常是大氣，在這種介質上所傳遞的信號是電磁波。從通訊理論上來講，只要這兩種信號傳遞介質都是導通的，那么其可靠度水平是相當的。說有線通訊比無線通訊更加可靠，其實是覺得看得見摸得著的線纜比看不見摸不著的空氣更加實在。再往遠處扯一扯，則是“虛”和“實”的本質問題，是可以做一篇哲學論文的。


任何通訊介質，都有其固有的弱點。有線介質不但怕蟲吃鼠咬，更怕民工拿鋤頭亂挖；無線介質雖然怕障礙物阻擋，但是至少不會被蟲子咬斷。?所以，無線和有線，是各自有其應用環境的。在合適的應用環境里，就能夠充分體現出其優點來。在不合適的應用環境里，理論上說得再好也沒用。


無線傳感器網絡之所以會在未來有廣闊的前景，在于它很好地解決了最后一公里，最后一百米，最后十米，或者是最后一米的問題。舉個例子說，我國較近幾年建設的高速公路，基本上都有光纜覆蓋，其帶寬足以支撐實時的視頻監控應用。但是，高速公路沿途的各種攝像頭和傳感器是不能夠直接接入光纜的，因為每在光纜上接入一個設備，就需要接入一對昂貴的光柵機。通常的做法，是將光纜作為骨干網，每隔一定的距離部署一對光柵機作為主節點，主節點附近的各種設備通過其他方式組成局部子網進行通訊，局部子網上的各種設備將主節點作為數據池（Data?Sink），數據池上的數據通過主節點并入骨干網，并較終傳輸到遠程數據采集、分析、控制終端。如上所述之最后N?米問題，用有線的解決方案往往是不太方便的，譬如說在已經通車的高速公路周邊部署新的傳感器，就不能夠頻繁地考慮將高速公路挖開鋪設新的線纜這種可能性。


無線傳感器網絡的另外一個應用范圍，是不便搭設有線通訊設備的環境。譬如說隧道施工現場和地下礦井礦山，施工現場的復雜性，以及傳感器的數量級，使得搭設可靠的有線通訊環境非常困難。盡管無線通訊確實會由于施工現場中的種種障礙受到干擾，但是由于我們能夠輕易地將無線傳感器節點部署到施工現場的各個角落，從而構建起一個全面覆蓋的無線通訊網絡。在施工現場發生變化的時候，我們還能夠輕易地通過調整無線傳感器節點的物理位置來適應施工現場所發生的各種變化。這樣的靈活性，是有線網絡所遠遠不能夠相比擬的。

無線傳感器網絡的主要用途


雖然無線傳感器網絡的大規模商業應用，由于技術等方面的制約還有待時日，但是較近幾年，隨著計算成本的下降以及微處理器體積越來越小，已經為數不少的無線傳感器網絡開始投入使用。目前無線傳感器網絡的應用主要集中在以下領域：????????環境的監測和保護
隨著人們對于環境問題的關注程度越來越高，需要采集的環境數據也越來越多，無線傳感器網絡的出現為隨機性的研究數據獲取提供了便利，并且還可以避免傳統數據收集方式給環境帶來的侵入式破壞。比如，英特爾研究實驗室研究人員曾經將32個小型傳感器連進互聯網，以讀出緬因州“大鴨島”上的氣候，用來評價一種海燕巢的條件。無線傳感器網絡還可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環境變化對農作物的影響，監測海洋、大氣和土壤的成分等。此外，它也可以應用在精細農業中，來監測農作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。
????????醫療護理
無線傳感器網絡在醫療研究、護理領域也可以大展身手。羅徹斯特大學的科學家使用無線傳感器創建了一個智能醫療房間，使用微塵來測量居住者的重要征兆（血壓、脈搏和呼吸）、睡覺姿勢以及每天24小時的活動狀況。英特爾公司也推出了無線傳感器網絡的家庭護理技術。該技術是做為探討應對老齡化社會的技術項目Center?for?Aging?Services?Technologies（CAST）的一個環節開發的。該系統通過在鞋、家具以家用電器等家中道具和設備中嵌入半導體傳感器，幫助老齡人士、阿爾茨海默氏病患者以及殘障人士的家庭生活。利用無線通信將各傳感器聯網可高效傳遞必要的信息從而方便接受護理。而且還可以減輕護理人員的負擔。英特爾主管預防性健康保險研究的董事Eric?Dishman稱，“在開發家庭用護理技術方面，無線傳感器網絡是非常有前途的領域”。
????????軍事領域
由于無線傳感器網絡具有密集型、隨機分布的特點，使其非常適合應用于惡劣的戰場環境中，使其非常適合應用于惡劣的戰場環境中，包括偵察敵情、監控兵力、裝備和物資，判斷生物化學攻擊等多方面用途。美國*部遠景計劃研究局已投資幾千萬美元，幫助大學進行“智能塵埃”傳感器技術的研發。哈伯研究公司總裁阿爾門丁格預測：智能塵埃式傳感器及有關的技術銷售從2004年的1000萬美元增加到2013年的幾十億美元。
????????目標跟蹤
DARPA支持的Scnsor?IT項目探索如何將WSN技術應用于軍事領域，實現所謂“**視距”戰場監測。UCB的教授主持的Sensor?Web是Sensor?IT的一個子項目．原理性地驗證了應用WSN進行戰場目標跟蹤的技術可行性，翼下攜帶WSN節點的無人機（UAV）飛到目標區域后拋下節點，較終隨機布撤落在被監測區域，利用安裝在節點上的地震波傳感器可以探測到外部日標，如坦克、裝甲車等，并根據信號的強弱估算距離，綜合多個節點的觀測數據，較終定位目標，并繪制出其移動的軌跡。雖然該演示系統在精度等方面還遠達不到裝備*用于實戰的要求，這種戰場偵察模式目前還沒有真正應用于實戰，但隨著美國*部將其武器系統研制的主要技術目標從精確制導轉向目標感知與定位，相信WSN提供的這種新穎的戰場偵察模式會受到軍方的關注．
????????其他用途
無線傳感器網絡還被應用于其他一些領域。比如一些危險的工業環境如井礦、核電廠等，工作人員可以通過它來實施安全監測。也可以用在交通領域作為車輛監控的有力工具。此外和還可以在工業自動化生產線等諸多領域，英特爾正在對工廠中的一個無線網絡進行測試，該網絡由40臺機器上的210個傳感器組成，這樣組成的監控系統將可以大大改善工廠的運作條件。它可以大幅降低檢查設備的成本，同時由于可以提前發現問題，因此將能夠縮短停機時間，提高效率，并延長設備的使用時間。盡管無線傳感器技術目前仍處于初步應用階段，但已經展示出了非凡的應用價值，相信隨著相關技術的發展和推進，一定會得到更大的應用。
無線傳感器網絡可以協助實現有效的戰場態勢感知，滿足作戰力量“知己知彼”的要求。典型設想是用*行器將大量微傳感器結點散布在戰場的廣闊地域，這些結點自組成網，將戰場信息邊收集、邊傳輸、邊融合，為各參戰單位提供“各取所需”的情報服務。?


根據**的信息技術專家介紹，計算機、通信及小型化技術進步正引導美軍進入一個新時代，在防御技術上產生“革命性”效果。隸屬于*辦公廳的國家信息技術研究與發展綜合辦公室主任大衛?納爾遜說，無線傳感器網絡技術，預示著為戰場上帶來新的電子眼和電子耳，“能夠在未來幾十年內變革戰場環境”。?


由于無線傳感器網絡具有密集型、隨機分布的特點，使其非常適合應用于惡劣的戰場環境中，使其非常適合應用于惡劣的戰場環境中，包括偵察敵情、監控兵力、裝備和物資，判斷生物化學攻擊等多方面用途。友軍兵力、裝備、彈藥調配監視;**監控;敵方軍力的偵察;目標追蹤;戰爭損傷評估;核、生物和化學攻擊的探測與偵察等。?


鑒于無線傳感器網絡在軍事應用的巨大作用，引起了世界許多國家的軍事部門、工業界和學術界的較大關注.美國自然科學基金**2003年制定了傳感器網絡研究計劃,投資34?000?000美元,支持相關基礎理論的研究.美國*部和各軍事部門都對傳感器網絡給予了高度重視,在C4ISR的基礎上提出了C4KISR計劃,強調戰場情報的感知能力、信息的綜合能力和信息的利用能力,把傳感器網絡作為一個重要研究領域,設立了一系列的軍事傳感器網絡研究項目.美國英特爾公司、美國微軟公司等信息工業界成員也開始了傳感器網絡方面的工作,紛紛設立或啟動相應的行動計劃.日本、英國、意大利、巴西等國家也對傳感器網絡表現出了較大的興趣,紛紛展開了該領域的研究工作.?

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