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  近年來，兼具力敏傳感能力和纖維形貌的壓阻纖維在可穿戴傳感器、電子皮膚和智能機器人等領域引起了廣泛的研究和關注。與傳統(tǒng)的薄膜狀傳感器相比，壓阻纖維雖具有高柔性、質(zhì)地輕、可編織和可集成等特點而表現(xiàn)出更多的可穿戴優(yōu)勢；但其尺寸較薄膜材料更小，使得壓阻傳感纖維往往具有比壓阻薄膜更低的壓縮靈敏度。為此，大量研究工作通過在纖維表面引入微褶皺結構，并利用多根纖維相互搭接的方式來實現(xiàn)靈敏度的調(diào)控。然而，受限于纖維一維的結構，目前構筑微結構的方法常采用對纖維“預拉伸-涂覆導電層-拉伸回復”的工藝流程。該方法不僅不利于微結構的大批量制備，而且所得微結構通常屬于低密度、各向異性，導致對壓阻纖維靈敏度的提升十分有限。此外，該工藝也常導致外部導電層和中心纖維之間的界面作用較弱。因此，如何大批量地開發(fā)同時具有高密度各向同性的褶皺結構和堅韌界面的高靈敏度壓阻纖維仍然充滿挑戰(zhàn)。

  生活中我們經(jīng)常會有這樣的經(jīng)驗，手指長時間地洗浴或游泳后很容易起皺，出現(xiàn)皺紋（pruney fingers）。這是因為手指皮膚下的血管在水中發(fā)生收縮，進而引起指尖體積縮��；縮小的血管與表皮出現(xiàn)模量失配后，引起表皮形成脊形褶皺。有趣的是，起皺后手指可以幫助我們更好地抓住潮濕或浸沒在水中的物體，就好像雨中的輪胎表面的紋路可以幫助排除路面的水分，從而實現(xiàn)在下雨天擁有很好的抓地力。

  受上述有趣的現(xiàn)象和其特殊的形成機制啟發(fā)，華南理工大學劉嵐教授課題組開發(fā)了一種由聚氨酯（TPU）纖維“核”結構和聚吡咯 (PPy)褶皺導電“殼”結構組成的新型核殼纖維“pruney fibers”。與血管收縮和表皮褶皺的形成非常相似，表面PPy各向同性褶皺的產(chǎn)生來源于TPU分子鏈的收縮和吡咯單體的同步原位聚合。而且，由于在該過程中PPy的生長是沿著TPU分子鏈原位進行并相互纏結，因此該方法獲得的PPy@TPU核殼界面具有很強的相互作用。而且，通過改變氧化劑的濃度可實現(xiàn)對各向同性PPy褶皺的波長（1.2-10.2μm）的精準調(diào)控。進一步，將不同的褶皺纖維進行搭接測試壓阻性能。研究表明，具有 6 μm 褶皺結構的纖維具有高達0.15 kPa^-1的高壓縮靈敏度、47 ms的快速響應和高穩(wěn)定性。最后，制備的壓阻纖維被成功地應用于可穿戴運動檢測和人機交互以控制電腦游戲，展示了它們在未來生物和醫(yī)療保健領域的潛力。

圖1 (a)表面皺褶結構的手指的數(shù)碼照片。(b)手指表面皺褶形成過程示意圖。(c, d) 表面褶皺纖維形成示意圖。(e) PPy@TPU 褶皺纖維整體制備工藝示意圖。

圖2 (a) TPU纖維、溶脹TPU纖維和PPy@TPU褶皺纖維的數(shù)碼照片。(b, c) PPy@TPU褶皺纖維的C 1s (b)和N 1s (c)XPS高分辨率光譜。(d) PPy@TPU褶皺纖維的表面SEM圖像。(e, f) PPy@TPU pruney 纖維橫截面的SEM圖像。(g)不同濃度APS制備的PPy@TPU褶皺纖維表面SEM圖：(Ⅰ)2 mmol/L，(Ⅱ)5 mmol/L，(Ⅲ)10 mmol/L，(Ⅳ)20 mmol/ L。(h) 基于5 mmol/L的APS濃度的PPy@TPU 褶皺纖維的3D 形態(tài)。(i)不同濃度APS 產(chǎn)生的表面褶皺的波長 (λ)。

圖3 (a)基于不同APS濃度的純TPU纖維和制備的PPy@TPU 褶皺纖維的機械性能。(b)不同濃度APS制備的PPy@TPU 褶皺纖維的表面電阻。(c)不同PPy@TPU 褶皺纖維隨應變的電阻變化；插圖是前75%形變下的電阻放大圖。(d) PPy@TPU 褶皺纖維表面在100%應變下的SEM圖，顯示出沿應變方向的高取向和孤立的裂紋結構。(e, f) 裂紋的放大SEM圖，證明了核殼間的堅固界面。(g)使用兩個褶皺纖維組裝壓阻纖維的示意圖。(h) 不同壓阻纖維相對電阻隨壓力的變化，通過在不同 APS 濃度下反應獲得。(i)壓阻傳感機制的示意圖。(j, k) 壓阻纖維的SEM圖顯示表面褶皺的接觸情況。(l)靈敏度與報道的壓阻纖維的壓縮靈敏度對比。

  該工作以《Pruney fingers-inspired highly stretchable and sensitive piezoresistive fibers with isotropic wrinkles and robust interfaces》為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上，第一作者為華南理工大學陳松博士，通訊作者為華南理工大學劉嵐教授。本研究得到了廣州市科技計劃重點項目和國家自然科學基金等項目的資助。

  論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721045812