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  多功能傳感系統(tǒng)已經(jīng)引起科研人員越來越多的關(guān)注。以可穿戴人體傳感器為例，同時(shí)具備拉伸、彎曲及擠壓信號(hào)感應(yīng)靈敏度的傳感器必定是現(xiàn)代傳感系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)之一。然而，傳統(tǒng)二維傳感器件受構(gòu)型及相應(yīng)的工作原理的局限，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)不同刺激信號(hào)快速有效的分揀任務(wù)。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)出兼具高選擇性與高靈敏度的可穿戴集成傳感器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)刺激信號(hào)精準(zhǔn)的定性、定量分析，十分重要。

  日前，新加坡國立大學(xué)丁軍教授課題組在高選擇性、高靈敏度可穿戴傳感器的靈活制備方面取得最新進(jìn)展。課題組成員使用氯化鈉摻雜的瓊脂糖凝膠（NaCl@AG）作為離子導(dǎo)電材料，通過3D打印制備可定制化彈性體塑性器 （3D Printed Elastic Hollow Part）對(duì)離子導(dǎo)電材料實(shí)現(xiàn)空間立體塑性；結(jié)合3D 打印的微米級(jí)多孔銅電極（3dp-Cu），開發(fā)出一種具有3D構(gòu)型的集成傳感器（Integrated Sensor）。該傳感器可同時(shí)檢測(cè)、分類外力的種類及大小，在多功能可穿戴傳感系統(tǒng)（Wearable Sensing System）方面具有廣泛應(yīng)用前景。同時(shí)，瓊脂糖凝膠獨(dú)特的溶膠－凝膠轉(zhuǎn)變性質(zhì)（熱可逆），使該傳感器制備簡單，并可快速實(shí)現(xiàn)彈性體塑性器的重復(fù)使用（熱水浸泡，洗去離子導(dǎo)電材料即可）。該研究成果近期在線發(fā)表在《化學(xué)工程期刊》（Chemical Engineering Journal）上 。

圖一 多功能3D集成可穿戴傳感器的制備示意圖 

  通過一系列實(shí)驗(yàn)，研究人員分析發(fā)現(xiàn)：3D彈性體塑性器的微型孔道結(jié)構(gòu)對(duì)傳感器性能表現(xiàn)有著直接影響。例如，直通道和彈簧通道傳感器分別表現(xiàn)出優(yōu)異的拉伸（彎曲可忽略）、彎曲（拉伸可忽略）檢測(cè)靈敏度；而介于二者之間的二維“ S”型通道傳感器，則同時(shí)具備對(duì)拉伸信號(hào)與彎曲信號(hào)的感應(yīng)能力（但靈敏度較低）。下一步，研究人員采用3D 打印技術(shù)將直通道和彈簧雙通道靈活地集成在同一個(gè)彈性體塑性器中，從而制備出一種多功能3D集成可穿戴傳感器 （3D-IWS）。通過采集分析雙通道信號(hào)，該傳感器可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)檢測(cè)區(qū)分拉伸信號(hào)與彎曲信號(hào)的功能；并具備較高響應(yīng)靈敏度與大范圍應(yīng)變工作區(qū)間（0～500 %）。

圖二 多功能3D集成可穿戴傳感器的性能表征

圖三 多功能3D集成可穿戴傳感器的應(yīng)用實(shí)例

  接下來，研究人員通過實(shí)例展示3D集成可穿戴傳感器在實(shí)時(shí)檢測(cè)人體活動(dòng)方面的應(yīng)用：手肘彎曲過程內(nèi)外側(cè)拉伸／彎曲情況（b1）。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傳感器被固定在手肘內(nèi)側(cè)時(shí)，直通道測(cè)試結(jié)果幾乎為零（手肘彎曲過程中內(nèi)側(cè)幾乎無拉伸）；彈簧通道測(cè)試結(jié)果明顯（可精確檢測(cè)手肘內(nèi)側(cè)彎曲程度）（b2）。當(dāng)傳感器被固定在手肘外側(cè)時(shí)，彈簧通道測(cè)試結(jié)果明顯（可精確檢測(cè)手肘外側(cè)彎曲程度）；同時(shí)，直通道也呈現(xiàn)明顯的測(cè)試結(jié)果（手肘彎曲過程中外側(cè)存在不同程度的拉伸）（b3）。上述簡單實(shí)例證實(shí)該類3D集成可穿戴傳感器較傳統(tǒng)二維傳感器明顯的優(yōu)異的信號(hào)區(qū)分選擇功能。

  該工作通過使用安全經(jīng)濟(jì)的高分子材料，結(jié)合新穎的3D打印塑形技術(shù)，便捷靈活地實(shí)現(xiàn)高性能、高靈敏度的多功能傳感器件的可定制生產(chǎn)。詳盡工作機(jī)理見論文原文。論文第一作者為課題組博士生蘇欣然和Ramadan Borayek，通訊作者丁軍教授。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.124503