柔性傳感器在日常生活中的應用概念

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。它通常應用于電子、軍工等高精尖領域，在日常生活領域應用不多。隨著社會近年來的發展，為了更加滿足人們的日常生活需求，對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是極難以察覺的，并且往往危害巨大。因此利用柔性傳感器的特點，將其應用在兒童日常生活中以預防多種潛在危險是極其重要的。

關鍵詞：柔性傳感器；潛在危險；兒童日常用品；預防危險

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輔助嬰兒渡過生命最初的時期。比如，嬰兒奶瓶和水瓶是大多數家庭在前期過程中都常備的嬰兒用品。奶瓶應用時間較長，通常使用或備用時間至嬰兒長到一歲，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，父母會培養幼兒使用杯子等器具來飲用牛奶等日常營養食品。因此，家庭里的幼兒都會配備一個奶瓶和一個獨自專用的水瓶來滿足日常的喝水、喝牛奶的需求。其一，幼兒還很幼小，需要較小的器皿來鍛煉其生活能力，比如獨自持有水瓶，對孩子手部小肌肉和手指的控制能力都是有好處的。其二，幼兒會被新鮮事物所吸引。[3]幼兒通常會抓取食物，先是在手中玩，待到他們對食物的形狀、溫度、質地等有一定的了解后，才會本能地用嘴去嘗。獨特造型的水瓶能夠引起幼兒注意力，會使得幼兒主動地抓去水瓶把玩，在此過程中方便家長對幼兒的喂食。比如，大多數的幼兒用品會被設計成各種卡通模樣，對孩童來講，這便是一個可以吸引他們的玩具。其三，處于對幼兒的健康考慮，單獨的食用、喝水的器皿可以降低嬰幼兒受到各種病菌侵擾的概率。

因此，幼兒的日常生活用品會包含以下三個方面：體積小、造型多元化、單獨使用。然而，這三個特點也為嬰幼兒帶來了很多的潛在危險。

二.用品特點分析及潛在問題

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偏小來方便幼兒抓取。這樣勢必也會造成，控制力還不夠的幼兒會在持有過程中打翻奶瓶和水瓶。在大多數瓶子為擰蓋式和手動彈出式的情況下，如果瓶中裝有溫度較高的水或奶，也有可能會對嬰幼兒造成外部燙傷。此外，多數瓶體為單層瓶身，如若瓶內溫度過高由于幼兒皮膚細嫩也會導致一定程度的燙傷。

2.造型多元化

嬰幼兒對新鮮事物有著較強的好奇心理。因此，商家在售賣奶瓶水瓶的時候通常會引用多種卡通造型來吸引買家購買。然而，卡通造型的瓶體的表面通常不是較為平整的，會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比較困難。

3.單獨使用

單獨使用在多數家庭里僅代表著這些器具是幼兒的，家長不可用來使用。但是，在這個過程中，有的家長在喂養孩子的時候會選擇幫助幼兒舔舐食物的溫度或者咀嚼食物后用此獨立的器具。然而，據資料顯示在日常喂養過程中，確實會出現一些家長幫寶寶咀嚼食物、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，實際是一種病菌傳播的過程。這種行為導致的最常見的結果是兒童幽門螺桿菌感染。幽門螺桿菌是兒科常見問題之一， 并且呈現家庭內聚集，且與兒童個人衛生習慣及家長的飲食生活習慣、居住條件呈密切相關。它的主要傳播途徑就是口對口，加上幼兒胃功能發育不成熟和免疫功能低下，便很容易被感染。感染后會繼發兒童慢性胃炎、消化性潰瘍等疾病。

三.預防潛在問題的措施

由于瓶身的多樣化和不平整的特點，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。這樣便可解決當選用剛性基底傳感器植入不平整曲面時，不得不增加瓶體的體積使得瓶體體積過大，幼兒不方便把持的問題。并且為了防止瓶體過薄時，瓶內溫度過高導致對幼兒手部的傷害甚至是導致瓶體脫落將瓶內高溫物體濺出，需要在瓶體的外側套有一層硅膠形式的外套。其一，是為了通過硅膠阻隔一部分的溫度，以防止燙傷幼兒手部。其二，由于硅膠表面的磨砂材質，可防止瓶體脫落造成二次傷害。其三，硅膠為柔性材質，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瓶子上使用從而減少花費。

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使得溫度傳感器所監測的溫度可轉化為電信號，與家長們的手機APP相連接，以溫度數字的形式展現給家長。[4]讓家長對溫度有了一個直觀的感受，以此使得幼兒家長在不通過嘴部接觸的情況下可以感知到瓶內的大致溫度。杜絕了家長們的一些不必要的親密行為，通過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，大大減少了通過嘗試溫度、咀嚼食物的病菌傳播，保證了在幼兒時期的健康狀態。

植入溫度傳感器的同時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程中，易于擰開或者觸碰到彈蓋機關，導致內部的高溫物質外流從而燙傷幼兒。因此，將壓力傳感器植入在硅膠套中，當瓶體收到手握的壓力的時，會產生電信號的反饋，當提前設定好電信號的閾值時，便可以控制彈蓋彈出來的時間。這是因為，幼兒的握力和成人的握力相差巨大。幼兒把持瓶體時的壓力值不會高于所設定的閾值，因此不會產生電信號的反饋，彈蓋就不會彈出。當成人把持瓶體時，施加大于閾值的握力，便可使得傳感器產生電信號的反饋，以便打開瓶蓋。通過這樣的可控閥門形式的瓶口，使得瓶口的安全性進一步提高。對幼兒的潛在威脅也進一步的降低。

四.應用技術說明

柔性傳感器是近年來高速發展的傳感器技術，具有自身小型、靈敏度高、可塑性較強、部署簡易、高貼合性等特點，符合了可穿戴設備對于傳感器的需求。被應用于柔性應變傳感器常用的材料有納米線、碳納米管、石墨烯和導電聚合物、金屬纖維和純金屬粉末等。通常將敏感導電材料與彈性聚合物進行混用，制備柔性敏感單元。其中，石墨烯不僅具有重量輕、成本低且具備優異的機械和電學特性，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，并通過監測溫度信號轉換為電信號，根據不同的使用環境（如用在醫療健康監測、運動、通信、航空航天、消防等不同領域），將溫度傳感器與不同的柔性基底材料結合，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，滿足柔性器件對一定的機械性能的要求，讓其具有較低的彈性模量，在折疊和彎曲的情況下不會輕易發生物理性質的破損來影響其對物理信息的監測和反饋。

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合，主要利用了材料的形變和位移來測量時應力作用下的力、速度等物理信息。將各種物理信號的變化轉換為電信號的變化。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。同樣的，應用領域一樣的廣泛。

五.結論

國內外針對柔性電子材料制備、柔性電子器件設計與應用等方面已開展了大量的基礎研究工作，柔性電子與傳統電子技術最根本的區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，人們更多關注可運用于可穿戴系統、環境、健康等領域的智能器件，需滿足低功耗、低成本、柔性可彎曲等要求。由此可見，柔性溫度傳感器在日常生活用品領域有著重要的應用前景。

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。但因為柔性傳感器的多種特點都可以滿足日常生活用品的形態。因此，柔性傳感器是可以廣泛應用于幼兒日常生活用品且可以發揮其本身的作用。

參考文獻：

[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展[J].應用化工.2018，（3）： 2701-2704.

[2] 全勇、魏雄邦、肖倫、吳濤、龐韓英、吳雙紅、陳志、蔣亞東.微納米結構對電容式柔性壓力傳感器性能影響的研究[J].傳感技術學報.2017，（4）：337-340.

[3] 張曉燕、王琳、劉熹、夏勁節、邱孟、李小虎、張靜靖.成都市幼兒家長對家居用品安全認知及行為[J].預防醫學情報雜志.2016，（7）：531-534.

[4] 薛寧.柔性可穿戴式壓力傳感設備及其醫療方向應用綜述[J].海峽科技與產業.2018，（6）：29-34.

[5] 郭云龍、萬鵬博.功能高分子/石墨烯復合材料及柔性電子學傳感器[R].中國四川成都：中國化學會，2017.

作者簡介：

樊睿，生于1997年4月，通訊作者，漢族，河南安陽人，沈陽航空航天大學，工業設計方向.

高明策，生于1997年6月，滿族，遼寧錦州人，沈陽航空航天大學，機械設計制造及其自動化方向.

劉曜華，生于1996年3月，滿族，遼寧大連人，沈陽航空航天大學，飛行器動力方向.

馮寬，生于1997年2月，漢族，安徽蕪湖人，沈陽航空航天大學，飛行器動力方向.

*【基金項目】本文系沈陽航空航天大學大學2017年度大學生創新創業大賽項目，項目編號：X1701025