柔性傳感器在日常生活中的應(yīng)用概念

樊睿 高明策 劉曜華 馮寬

摘 要：柔性傳感器具有可延展、高靈敏度、體積小等特點(diǎn)。它通常應(yīng)用于電子、軍工等高精尖領(lǐng)域，在日常生活領(lǐng)域應(yīng)用不多。隨著社會(huì)近年來(lái)的發(fā)展，為了更加滿足人們的日常生活需求，對(duì)柔性傳感器的需求也日益增加。[1]，[2]在日常中，兒童這一龐大群體面臨的各種潛在危險(xiǎn)是極難以察覺(jué)的，并且往往危害巨大。因此利用柔性傳感器的特點(diǎn)，將其應(yīng)用在兒童日常生活中以預(yù)防多種潛在危險(xiǎn)是極其重要的。

關(guān)鍵詞：柔性傳感器；潛在危險(xiǎn)；兒童日常用品；預(yù)防危險(xiǎn)

一.幼兒日常生活用品概述

在嬰兒剛出生之后，需要用各種各樣的嬰幼兒用品來(lái)輔助嬰兒渡過(guò)生命最初的時(shí)期。比如，嬰兒奶瓶和水瓶是大多數(shù)家庭在前期過(guò)程中都常備的嬰兒用品。奶瓶應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，通常使用或備用時(shí)間至嬰兒長(zhǎng)到一歲，很少部分的幼兒直至將近兩歲才能完全脫離奶瓶的使用。在之后的階段里，父母會(huì)培養(yǎng)幼兒使用杯子等器具來(lái)飲用牛奶等日常營(yíng)養(yǎng)食品。因此，家庭里的幼兒都會(huì)配備一個(gè)奶瓶和一個(gè)獨(dú)自專用的水瓶來(lái)滿足日常的喝水、喝牛奶的需求。其一，幼兒還很幼小，需要較小的器皿來(lái)鍛煉其生活能力，比如獨(dú)自持有水瓶，對(duì)孩子手部小肌肉和手指的控制能力都是有好處的。其二，幼兒會(huì)被新鮮事物所吸引。[3]幼兒通常會(huì)抓取食物，先是在手中玩，待到他們對(duì)食物的形狀、溫度、質(zhì)地等有一定的了解后，才會(huì)本能地用嘴去嘗。獨(dú)特造型的水瓶能夠引起幼兒注意力，會(huì)使得幼兒主動(dòng)地抓去水瓶把玩，在此過(guò)程中方便家長(zhǎng)對(duì)幼兒的喂食。比如，大多數(shù)的幼兒用品會(huì)被設(shè)計(jì)成各種卡通模樣，對(duì)孩童來(lái)講，這便是一個(gè)可以吸引他們的玩具。其三，處于對(duì)幼兒的健康考慮，單獨(dú)的食用、喝水的器皿可以降低嬰幼兒受到各種病菌侵?jǐn)_的概率。

因此，幼兒的日常生活用品會(huì)包含以下三個(gè)方面：體積小、造型多元化、單獨(dú)使用。然而，這三個(gè)特點(diǎn)也為嬰幼兒帶來(lái)了很多的潛在危險(xiǎn)。

二.用品特點(diǎn)分析及潛在問(wèn)題

1.體積小的瓶身

由于幼兒常用器皿中的奶瓶和水瓶體積都會(huì)偏小來(lái)方便幼兒抓取。這樣勢(shì)必也會(huì)造成，控制力還不夠的幼兒會(huì)在持有過(guò)程中打翻奶瓶和水瓶。在大多數(shù)瓶子為擰蓋式和手動(dòng)彈出式的情況下，如果瓶中裝有溫度較高的水或奶，也有可能會(huì)對(duì)嬰幼兒造成外部燙傷。此外，多數(shù)瓶體為單層瓶身，如若瓶?jī)?nèi)溫度過(guò)高由于幼兒皮膚細(xì)嫩也會(huì)導(dǎo)致一定程度的燙傷。

2.造型多元化

嬰幼兒對(duì)新鮮事物有著較強(qiáng)的好奇心理。因此，商家在售賣奶瓶水瓶的時(shí)候通常會(huì)引用多種卡通造型來(lái)吸引買家購(gòu)買。然而，卡通造型的瓶體的表面通常不是較為平整的，會(huì)有小部分的面的變化。因此，若要向其中加入剛性基底的柔性傳感器會(huì)比較困難。

3.單獨(dú)使用

單獨(dú)使用在多數(shù)家庭里僅代表著這些器具是幼兒的，家長(zhǎng)不可用來(lái)使用。但是，在這個(gè)過(guò)程中，有的家長(zhǎng)在喂養(yǎng)孩子的時(shí)候會(huì)選擇幫助幼兒舔舐食物的溫度或者咀嚼食物后用此獨(dú)立的器具。然而，據(jù)資料顯示在日常喂養(yǎng)過(guò)程中，確實(shí)會(huì)出現(xiàn)一些家長(zhǎng)幫寶寶咀嚼食物、舔試食物從而感知溫度、親吻寶寶嘴巴的情況。這種親昵的行為，實(shí)際是一種病菌傳播的過(guò)程。這種行為導(dǎo)致的最常見(jiàn)的結(jié)果是兒童幽門螺桿菌感染。幽門螺桿菌是兒科常見(jiàn)問(wèn)題之一， 并且呈現(xiàn)家庭內(nèi)聚集，且與兒童個(gè)人衛(wèi)生習(xí)慣及家長(zhǎng)的飲食生活習(xí)慣、居住條件呈密切相關(guān)。它的主要傳播途徑就是口對(duì)口，加上幼兒胃功能發(fā)育不成熟和免疫功能低下，便很容易被感染。感染后會(huì)繼發(fā)兒童慢性胃炎、消化性潰瘍等疾病。

三.預(yù)防潛在問(wèn)題的措施

由于瓶身的多樣化和不平整的特點(diǎn)，我們需要選取以柔性材料為基底的柔性傳感器與瓶體配合。這樣便可解決當(dāng)選用剛性基底傳感器植入不平整曲面時(shí)，不得不增加瓶體的體積使得瓶體體積過(guò)大，幼兒不方便把持的問(wèn)題。并且為了防止瓶體過(guò)薄時(shí)，瓶?jī)?nèi)溫度過(guò)高導(dǎo)致對(duì)幼兒手部的傷害甚至是導(dǎo)致瓶體脫落將瓶?jī)?nèi)高溫物體濺出，需要在瓶體的外側(cè)套有一層硅膠形式的外套。其一，是為了通過(guò)硅膠阻隔一部分的溫度，以防止?fàn)C傷幼兒手部。其二，由于硅膠表面的磨砂材質(zhì)，可防止瓶體脫落造成二次傷害。其三，硅膠為柔性材質(zhì)，可以作為柔性基底，方便將傳感器植入其中。其四，由于硅膠本身也具有一定的延展特性，因此可以很好地貼合表面曲面差距不太大的瓶身，以便外套可以在多個(gè)瓶子上使用從而減少花費(fèi)。

將柔性溫度傳感器植入在硅膠套中，由于柔性溫度傳感器的高度貼合的貼點(diǎn)使得溫度傳感器所監(jiān)測(cè)的溫度可轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，與家長(zhǎng)們的手機(jī)APP相連接，以溫度數(shù)字的形式展現(xiàn)給家長(zhǎng)。[4]讓家長(zhǎng)對(duì)溫度有了一個(gè)直觀的感受，以此使得幼兒家長(zhǎng)在不通過(guò)嘴部接觸的情況下可以感知到瓶?jī)?nèi)的大致溫度。杜絕了家長(zhǎng)們的一些不必要的親密行為，通過(guò)減少成人與幼兒器皿的接觸減少了成人與幼兒之間間接性的“口-口”接觸，大大減少了通過(guò)嘗試溫度、咀嚼食物的病菌傳播，保證了在幼兒時(shí)期的健康狀態(tài)。

植入溫度傳感器的同時(shí)也將壓力傳感器植入在硅膠基底中。由于擰蓋式瓶子和彈出式瓶子在幼兒持拿的過(guò)程中，易于擰開(kāi)或者觸碰到彈蓋機(jī)關(guān)，導(dǎo)致內(nèi)部的高溫物質(zhì)外流從而燙傷幼兒。因此，將壓力傳感器植入在硅膠套中，當(dāng)瓶體收到手握的壓力的時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)的反饋，當(dāng)提前設(shè)定好電信號(hào)的閾值時(shí)，便可以控制彈蓋彈出來(lái)的時(shí)間。這是因?yàn)椋變旱奈樟统扇说奈樟ο嗖罹薮蟆Ｓ變喊殉制矿w時(shí)的壓力值不會(huì)高于所設(shè)定的閾值，因此不會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)的反饋，彈蓋就不會(huì)彈出。當(dāng)成人把持瓶體時(shí)，施加大于閾值的握力，便可使得傳感器產(chǎn)生電信號(hào)的反饋，以便打開(kāi)瓶蓋。通過(guò)這樣的可控閥門形式的瓶口，使得瓶口的安全性進(jìn)一步提高。對(duì)幼兒的潛在威脅也進(jìn)一步的降低。

四.應(yīng)用技術(shù)說(shuō)明

柔性傳感器是近年來(lái)高速發(fā)展的傳感器技術(shù)，具有自身小型、靈敏度高、可塑性較強(qiáng)、部署簡(jiǎn)易、高貼合性等特點(diǎn)，符合了可穿戴設(shè)備對(duì)于傳感器的需求。被應(yīng)用于柔性應(yīng)變傳感器常用的材料有納米線、碳納米管、石墨烯和導(dǎo)電聚合物、金屬纖維和純金屬粉末等。通常將敏感導(dǎo)電材料與彈性聚合物進(jìn)行混用，制備柔性敏感單元。其中，石墨烯不僅具有重量輕、成本低且具備優(yōu)異的機(jī)械和電學(xué)特性，被視為基于敏感材料制備傳感器的最佳的原料之一。[5]

1.柔性溫度傳感器

柔性溫度傳感器，保持原有柔軟、易變形等特性，并通過(guò)監(jiān)測(cè)溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，根據(jù)不同的使用環(huán)境（如用在醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)、通信、航空航天、消防等不同領(lǐng)域），將溫度傳感器與不同的柔性基底材料結(jié)合，制作成傳感裝置。柔性基底材料具有可彎曲，形變均勻，有彈性，輕便，不易破壞，可制成卷軸式或大面積制作，滿足柔性器件對(duì)一定的機(jī)械性能的要求，讓其具有較低的彈性模量，在折疊和彎曲的情況下不會(huì)輕易發(fā)生物理性質(zhì)的破損來(lái)影響其對(duì)物理信息的監(jiān)測(cè)和反饋。

2.柔性壓力傳感器

將壓力傳感器與不同的柔性基底材料相結(jié)合，主要利用了材料的形變和位移來(lái)測(cè)量時(shí)應(yīng)力作用下的力、速度等物理信息。將各種物理信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化。也具有與柔性溫度傳感器一樣的可彎曲延展，不易破損等特點(diǎn)。同樣的，應(yīng)用領(lǐng)域一樣的廣泛。

五.結(jié)論

國(guó)內(nèi)外針對(duì)柔性電子材料制備、柔性電子器件設(shè)計(jì)與應(yīng)用等方面已開(kāi)展了大量的基礎(chǔ)研究工作，柔性電子與傳統(tǒng)電子技術(shù)最根本的區(qū)別在于以柔性基板代替剛性基板，隨著柔性微型電路需求增加，人們更多關(guān)注可運(yùn)用于可穿戴系統(tǒng)、環(huán)境、健康等領(lǐng)域的智能器件，需滿足低功耗、低成本、柔性可彎曲等要求。由此可見(jiàn)，柔性溫度傳感器在日常生活用品領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。

由上述可知，幼兒日常生活用品通常伴隨著多種曲面，面型彎曲。但因?yàn)槿嵝詡鞲衅鞯亩喾N特點(diǎn)都可以滿足日常生活用品的形態(tài)。因此，柔性傳感器是可以廣泛應(yīng)用于幼兒日常生活用品且可以發(fā)揮其本身的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊海艷、李延斌、熊繼軍、陳曉勇、羅銘宇.柔性壓力傳感器研究進(jìn)展[J].應(yīng)用化工.2018，（3）： 2701-2704.

[2] 全勇、魏雄邦、肖倫、吳濤、龐韓英、吳雙紅、陳志、蔣亞?wèn)|.微納米結(jié)構(gòu)對(duì)電容式柔性壓力傳感器性能影響的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào).2017，（4）：337-340.

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[4] 薛寧.柔性可穿戴式壓力傳感設(shè)備及其醫(yī)療方向應(yīng)用綜述[J].海峽科技與產(chǎn)業(yè).2018，（6）：29-34.

[5] 郭云龍、萬(wàn)鵬博.功能高分子/石墨烯復(fù)合材料及柔性電子學(xué)傳感器[R].中國(guó)四川成都：中國(guó)化學(xué)會(huì)，2017.

作者簡(jiǎn)介：

樊睿，生于1997年4月，通訊作者，漢族，河南安陽(yáng)人，沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，工業(yè)設(shè)計(jì)方向.

高明策，生于1997年6月，滿族，遼寧錦州人，沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化方向.

劉曜華，生于1996年3月，滿族，遼寧大連人，沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，飛行器動(dòng)力方向.

馮寬，生于1997年2月，漢族，安徽蕪湖人，沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，飛行器動(dòng)力方向.

*【基金項(xiàng)目】本文系沈陽(yáng)航空航天大學(xué)大學(xué)2017年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：X1701025