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  近年來，模擬人類皮膚特性的柔性應(yīng)變傳感器引起了極大的關(guān)注，其在運(yùn)動(dòng)監(jiān)測、人機(jī)交互等領(lǐng)域的應(yīng)用得到了證明。通常將靈敏度和監(jiān)測范圍作為評估應(yīng)變傳感器傳感性能的主要參數(shù)，然而受制于導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的固有性質(zhì)，高靈敏度和寬監(jiān)測范圍之間被認(rèn)為是互相矛盾的。此外，柔性傳感器在長期使用過程中容易產(chǎn)生破損，如何模擬人類皮膚將的高伸展性、全范圍運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和自修復(fù)能力集成于一個(gè)應(yīng)變傳感器中，仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

  近日，天津工業(yè)大學(xué)楊光教授/閆靜副教授/莊旭品教授設(shè)計(jì)了一種層級結(jié)構(gòu)的碳納米纖維（CNF），結(jié)合高彈性動(dòng)態(tài)聚氨酯（PU）基材，開發(fā)了具有優(yōu)異傳感性能和自主自修復(fù)能力的類皮膚應(yīng)變傳感器。通過調(diào)控碳納米纖維的取向：從高度定向逐漸變化至隨機(jī)取向，使得傳感器兼具高靈敏度和寬響應(yīng)范圍。同時(shí)，基于二硫鍵和氫鍵的動(dòng)態(tài)特性，受損的傳感器在室溫環(huán)境能夠?qū)崿F(xiàn)自主自修復(fù)，而在自然太陽光可以加快自修復(fù)速度及效率，大幅延長了傳感器的使用壽命，從而意味著其在智能可穿戴應(yīng)用中具有較大的潛力。

圖1 CNF/PU傳感器的制備、結(jié)構(gòu)、柔性及導(dǎo)電性

  本工作采用聚丙烯腈（PAN）配置靜電紡絲前體溶液，通過連續(xù)調(diào)節(jié)滾筒收集器的旋轉(zhuǎn)速度，控制納米纖維取向：從高度定向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機(jī)取向。納米纖維膜碳化后獲得層級CNF膜，并用自修復(fù)PU封裝得到類皮膚傳感器。碳化前后的SEM圖像表明，納米纖維的各級層級結(jié)構(gòu)及取向度得到了完整保留，同時(shí)CNF膜及其傳感器展示出良好的柔性和導(dǎo)電性。

圖3 CNF/PU傳感器的傳感性能

  CNF/PU應(yīng)變傳感器展示出優(yōu)異的柔性和拉伸性能，低拉伸應(yīng)力大大減弱了使用者的佩戴不適感，高斷裂伸長則有助于傳感器在應(yīng)對復(fù)雜彎曲或拉伸時(shí)不易出現(xiàn)損傷。此外，良好的回彈性保證了傳感信號(hào)穩(wěn)定和可重復(fù)性。層級CNF膜兼具了高度定向和隨機(jī)取向CNF的傳感特征，因此層級CNF應(yīng)變傳感器集成了高靈敏度和寬傳感范圍的優(yōu)點(diǎn)，使其在70%應(yīng)變時(shí)仍能以高靈敏度（GF = 90）正常工作。除了高靈敏度和寬傳感范圍，CNF/PU應(yīng)變傳感器同時(shí)展現(xiàn)出良好的重復(fù)性、響應(yīng)時(shí)間以及耐久性。

圖4 CNF/PU傳感器的自修復(fù)性能及其自修復(fù)機(jī)理

  與需要外部刺激的自修復(fù)不同，本工作合成的動(dòng)態(tài)PU在室溫條件下即可實(shí)現(xiàn)自主自修復(fù)。在室溫環(huán)境中傳感器自修復(fù)24 h后，斷裂應(yīng)變恢復(fù)至850%，自修復(fù)效率高達(dá)97.7%，而在自然太陽光下，自修復(fù)時(shí)間能夠極縮短至0.5 h。這一自修復(fù)行為歸功于聚合物網(wǎng)絡(luò)中可逆二硫鍵和非共價(jià)氫鍵的協(xié)同作用。同時(shí)，在聚合物的驅(qū)動(dòng)下，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)也實(shí)現(xiàn)了重構(gòu)，因此傳感器的電學(xué)性能也能實(shí)現(xiàn)高效修復(fù)，多次損傷-自修復(fù)循環(huán)后，電學(xué)性能基本上可以恢復(fù)初始數(shù)值。

圖5 CNF/PU傳感器實(shí)現(xiàn)人類全范圍運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

  基于CNF/PU柔性應(yīng)變傳感器具有出色的傳感性能，其能夠同時(shí)監(jiān)測劇烈的人體運(yùn)動(dòng)和微弱的生理信號(hào)。傳感器可以緊密整合在不同人體部位上，如手指/膝蓋、脈搏、面部等。當(dāng)手指/膝蓋逐漸彎曲時(shí)，每個(gè)位置的電阻值都相當(dāng)穩(wěn)定，多次施加彎曲釋放動(dòng)作時(shí)，傳感器能夠傳遞出清晰穩(wěn)定、可重復(fù)的電信號(hào)，證實(shí)了其具有運(yùn)動(dòng)檢測能力。另一方面，該傳感器的高靈敏度允許其檢測諸如脈搏等細(xì)微應(yīng)變，在高分辨率圖像中能清晰觀察到脈搏的特征波型，這對于臨床的疾病診斷將會(huì)提供幫助。

  原文鏈接： https://doi.org/10.1021/acsami.2c20104