柔性传感器在日常生活中的应用概念

樊睿 高明策 刘曜华 冯宽

摘 要：柔性传感器具有可延展、高灵敏度、体积小等特点。它通常应用于电子、军工等高精尖领域，在日常生活领域应用不多。随着社会近年来的发展，为了更加满足人们的日常生活需求，对柔性传感器的需求也日益增加。[1]，[2]在日常中，儿童这一庞大群体面临的各种潜在危险是极难以察觉的，并且往往危害巨大。因此利用柔性传感器的特点，将其应用在儿童日常生活中以预防多种潜在危险是极其重要的。

关键词：柔性传感器；潜在危险；儿童日常用品；预防危险

一.幼儿日常生活用品概述

在婴儿刚出生之后，需要用各种各样的婴幼儿用品来辅助婴儿渡过生命最初的时期。比如，婴儿奶瓶和水瓶是大多数家庭在前期过程中都常备的婴儿用品。奶瓶应用时间较长，通常使用或备用时间至婴儿长到一岁，很少部分的幼儿直至将近两岁才能完全脱离奶瓶的使用。在之后的阶段里，父母会培养幼儿使用杯子等器具来饮用牛奶等日常营养食品。因此，家庭里的幼儿都会配备一个奶瓶和一个独自专用的水瓶来满足日常的喝水、喝牛奶的需求。其一，幼儿还很幼小，需要较小的器皿来锻炼其生活能力，比如独自持有水瓶，对孩子手部小肌肉和手指的控制能力都是有好处的。其二，幼儿会被新鲜事物所吸引。[3]幼儿通常会抓取食物，先是在手中玩，待到他们对食物的形状、温度、质地等有一定的了解后，才会本能地用嘴去尝。独特造型的水瓶能够引起幼儿注意力，会使得幼儿主动地抓去水瓶把玩，在此过程中方便家长对幼儿的喂食。比如，大多数的幼儿用品会被设计成各种卡通模样，对孩童来讲，这便是一个可以吸引他们的玩具。其三，处于对幼儿的健康考虑，单独的食用、喝水的器皿可以降低婴幼儿受到各种病菌侵扰的概率。

因此，幼儿的日常生活用品会包含以下三个方面：体积小、造型多元化、单独使用。然而，这三个特点也为婴幼儿带来了很多的潜在危险。

二.用品特点分析及潜在问题

1.体积小的瓶身

由于幼儿常用器皿中的奶瓶和水瓶体积都会偏小来方便幼儿抓取。这样势必也会造成，控制力还不够的幼儿会在持有过程中打翻奶瓶和水瓶。在大多数瓶子为拧盖式和手动弹出式的情况下，如果瓶中装有温度较高的水或奶，也有可能会对婴幼儿造成外部烫伤。此外，多数瓶体为单层瓶身，如若瓶内温度过高由于幼儿皮肤细嫩也会导致一定程度的烫伤。

2.造型多元化

婴幼儿对新鲜事物有着较强的好奇心理。因此，商家在售卖奶瓶水瓶的时候通常会引用多种卡通造型来吸引买家购买。然而，卡通造型的瓶体的表面通常不是较为平整的，会有小部分的面的变化。因此，若要向其中加入刚性基底的柔性传感器会比较困难。

3.单独使用

单独使用在多数家庭里仅代表着这些器具是幼儿的，家长不可用来使用。但是，在这个过程中，有的家长在喂养孩子的时候会选择帮助幼儿舔舐食物的温度或者咀嚼食物后用此独立的器具。然而，据资料显示在日常喂养过程中，确实会出现一些家长帮宝宝咀嚼食物、舔试食物从而感知温度、亲吻宝宝嘴巴的情况。这种亲昵的行为，实际是一种病菌传播的过程。这种行为导致的最常见的结果是儿童幽门螺杆菌感染。幽门螺杆菌是儿科常见问题之一， 并且呈现家庭内聚集，且与儿童个人卫生习惯及家长的饮食生活习惯、居住条件呈密切相关。它的主要传播途径就是口对口，加上幼儿胃功能发育不成熟和免疫功能低下，便很容易被感染。感染后会继发儿童慢性胃炎、消化性溃疡等疾病。

三.预防潜在问题的措施

由于瓶身的多样化和不平整的特点，我们需要选取以柔性材料为基底的柔性传感器与瓶体配合。这样便可解决当选用刚性基底传感器植入不平整曲面时，不得不增加瓶体的体积使得瓶体体积过大，幼儿不方便把持的问题。并且为了防止瓶体过薄时，瓶内温度过高导致对幼儿手部的伤害甚至是导致瓶体脱落将瓶内高温物体溅出，需要在瓶体的外侧套有一层硅胶形式的外套。其一，是为了通过硅胶阻隔一部分的温度，以防止烫伤幼儿手部。其二，由于硅胶表面的磨砂材质，可防止瓶体脱落造成二次伤害。其三，硅胶为柔性材质，可以作为柔性基底，方便将传感器植入其中。其四，由于硅胶本身也具有一定的延展特性，因此可以很好地贴合表面曲面差距不太大的瓶身，以便外套可以在多个瓶子上使用从而减少花费。

将柔性温度传感器植入在硅胶套中，由于柔性温度传感器的高度贴合的贴点使得温度传感器所监测的温度可转化为电信号，与家长们的手机APP相连接，以温度数字的形式展现给家长。[4]让家长对温度有了一个直观的感受，以此使得幼儿家长在不通过嘴部接触的情况下可以感知到瓶内的大致温度。杜绝了家长们的一些不必要的亲密行为，通过减少成人与幼儿器皿的接触减少了成人与幼儿之间间接性的“口-口”接触，大大减少了通过尝试温度、咀嚼食物的病菌传播，保证了在幼儿时期的健康状态。

植入温度传感器的同时也将压力传感器植入在硅胶基底中。由于拧盖式瓶子和弹出式瓶子在幼儿持拿的过程中，易于拧开或者触碰到弹盖机关，导致内部的高温物质外流从而烫伤幼儿。因此，将压力传感器植入在硅胶套中，当瓶体收到手握的压力的时，會产生电信号的反馈，当提前设定好电信号的阈值时，便可以控制弹盖弹出来的时间。这是因为，幼儿的握力和成人的握力相差巨大。幼儿把持瓶体时的压力值不会高于所设定的阈值，因此不会产生电信号的反馈，弹盖就不会弹出。当成人把持瓶体时，施加大于阈值的握力，便可使得传感器产生电信号的反馈，以便打开瓶盖。通过这样的可控阀门形式的瓶口，使得瓶口的安全性进一步提高。对幼儿的潜在威胁也进一步的降低。

四.应用技术说明

柔性传感器是近年来高速发展的传感器技术，具有自身小型、灵敏度高、可塑性较强、部署简易、高贴合性等特点，符合了可穿戴设备对于传感器的需求。被应用于柔性应变传感器常用的材料有纳米线、碳纳米管、石墨烯和导电聚合物、金属纤维和纯金属粉末等。通常将敏感导电材料与弹性聚合物进行混用，制备柔性敏感单元。其中，石墨烯不仅具有重量轻、成本低且具备优异的机械和电学特性，被视为基于敏感材料制备传感器的最佳的原料之一。[5]

1.柔性温度传感器

柔性温度传感器，保持原有柔软、易变形等特性，并通过监测温度信号转换为电信号，根据不同的使用环境（如用在医疗健康监测、运动、通信、航空航天、消防等不同领域），将温度传感器与不同的柔性基底材料结合，制作成传感装置。柔性基底材料具有可弯曲，形变均匀，有弹性，轻便，不易破坏，可制成卷轴式或大面积制作，满足柔性器件对一定的机械性能的要求，让其具有较低的弹性模量，在折叠和弯曲的情况下不会轻易发生物理性质的破损来影响其对物理信息的监测和反馈。

2.柔性压力传感器

将压力传感器与不同的柔性基底材料相结合，主要利用了材料的形变和位移来测量时应力作用下的力、速度等物理信息。将各种物理信号的变化转换为电信号的变化。也具有与柔性温度传感器一样的可弯曲延展，不易破损等特点。同样的，应用领域一样的广泛。

五.结论

国内外针对柔性电子材料制备、柔性电子器件设计与应用等方面已开展了大量的基础研究工作，柔性电子与传统电子技术最根本的区别在于以柔性基板代替刚性基板，随着柔性微型电路需求增加，人们更多关注可运用于可穿戴系统、环境、健康等领域的智能器件，需满足低功耗、低成本、柔性可弯曲等要求。由此可见，柔性温度传感器在日常生活用品领域有着重要的应用前景。

由上述可知，幼儿日常生活用品通常伴随着多种曲面，面型弯曲。但因为柔性传感器的多种特点都可以满足日常生活用品的形态。因此，柔性传感器是可以廣泛应用于幼儿日常生活用品且可以发挥其本身的作用。

参考文献：

[1] 杨海艳、李延斌、熊继军、陈晓勇、罗铭宇.柔性压力传感器研究进展[J].应用化工.2018，（3）： 2701-2704.

[2] 全勇、魏雄邦、肖伦、吴涛、庞韩英、吴双红、陈志、蒋亚东.微纳米结构对电容式柔性压力传感器性能影响的研究[J].传感技术学报.2017，（4）：337-340.

[3] 张晓燕、王琳、刘熹、夏劲节、邱孟、李小虎、张静靖.成都市幼儿家长对家居用品安全认知及行为[J].预防医学情报杂志.2016，（7）：531-534.

[4] 薛宁.柔性可穿戴式压力传感设备及其医疗方向应用综述[J].海峡科技与产业.2018，（6）：29-34.

[5] 郭云龙、万鹏博.功能高分子/石墨烯复合材料及柔性电子学传感器[R].中国四川成都：中国化学会，2017.

作者简介：

樊睿，生于1997年4月，通讯作者，汉族，河南安阳人，沈阳航空航天大学，工业设计方向.

高明策，生于1997年6月，满族，辽宁锦州人，沈阳航空航天大学，机械设计制造及其自动化方向.

刘曜华，生于1996年3月，满族，辽宁大连人，沈阳航空航天大学，飞行器动力方向.

冯宽，生于1997年2月，汉族，安徽芜湖人，沈阳航空航天大学，飞行器动力方向.

*【基金项目】本文系沈阳航空航天大学大学2017年度大学生创新创业大赛项目，项目编号：X1701025