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  可穿戴傳感器在監(jiān)測人體運動和健康方面發(fā)揮著越來越重要的作用。傳統(tǒng)型傳感器的傳感可靠性在人體穿戴時會受到人體微界面溫度和濕度變化的影響，導致身體區(qū)域傳感網(wǎng)絡的傳感精度不佳。為此，項目團隊對牛角瓜纖維進行石墨烯導電功能化改性，聯(lián)合使用牛角瓜纖維紗線和彈性紗線制備出應變傳感器。所研制的傳感器具有響應速度快（<60 ms）、耐久性高（>3000次）和透濕性好（水蒸發(fā)率≈2.03 kg m^-2 h^-1）等優(yōu)點。另外，傳感器的靈敏度可以通過改變寬度進行簡便調(diào)控，尤其是該傳感器能夠在不同的溫度和濕度變化下保持穩(wěn)定的信號輸出。該傳感器可以用來構(gòu)建全身的傳感網(wǎng)絡，實時監(jiān)測人體運動和健康信號，將在未來個性化醫(yī)療保健和公共衛(wèi)生管理方面展現(xiàn)出廣闊的應用前景。

  2023年2月3日，蘇州大學現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室李剛教授、英國曼徹斯特大學材料學院Chair Professor李翼教授和牛津大學Botnar研究中心劉澤堃博士合作，設計開發(fā)了一種牛角瓜纖維基多功能可穿戴柔性應變傳感器，能夠在反復變化的可穿戴界面微氣候環(huán)境下工作，并能夠穩(wěn)定可靠地檢測人體各項運動信號。該項工作以“Calotropis Gigantea Fiber-based Sensitivity-tunable Strain Sensors with Insensitive Response to Wearable Microclimate Changes”為題發(fā)表在國際學術期刊Advanced Fiber Materials上（DOI: 10.1007/s42765-023-00270-y）。蘇州大學碩士張君澤（現(xiàn)香港理工大學博士生）、蘇州大學碩士生劉靜為共同第一作者，蘇州大學李剛教授、英國曼徹斯特大學李翼教授和牛津大學劉澤堃博士為共同通訊作者。合作作者還包括東華大學李毓陵教授，中國科學院昆明植物研究所、紅河山地未來中心許建初教授、趙高卷博士，香港理工大學趙澤宇以及蘇州大學孫瑋瑋、劉競舸。該工作得到了科技部國家重點研發(fā)計劃、科技部國際合作司項目和中國紡織工業(yè)聯(lián)合會“紡織之光”應用基礎研究等項目的支持。

  研究團隊通過選取石墨烯功能化的牛角瓜紗線和彈性紗線作為功能性元件，開發(fā)了牛角瓜纖維基多功能可穿戴應變傳感器。牛角瓜具有強大的生態(tài)修復和環(huán)境治理能力，是一種寶貴的農(nóng)業(yè)和紡織資源。其纖維天然抗菌，具有80-90%的中空結(jié)構(gòu)，相比于常見纖維（棉、麻和羊毛纖維），更加質(zhì)輕柔軟和保暖舒適，可作為可穿戴設備的理想材料之一。在應變傳感器中，石墨烯功能化的牛角瓜紗線用作緯紗賦予了織物良好的導電性能，并且有效避免了傳感器經(jīng)向拉伸時的磨損（耐久性>3000次），彈性紗線用作經(jīng)紗保證了傳感器的可拉伸性（伸長率>100%）�？梢酝ㄟ^改變織造寬度來簡便調(diào)節(jié)相鄰的導電牛角瓜紗線之間的接觸點的數(shù)量，從而可以調(diào)控應變傳感器的靈敏度。由于傳感器表面含有極少的含氧官能團，在不同溫度和濕度環(huán)境下仍然保持性能穩(wěn)定。該傳感器能夠在人體傳感網(wǎng)絡中實時監(jiān)測人體的運動情況，在個人健康管理和人機交互領域具有廣闊的應用前景。

圖1. 牛角瓜纖維基可穿戴柔性傳感器的制備過程示意圖

 圖2. 牛角瓜纖維基可穿戴柔性傳感器在拉伸下的電響應和相應機制展示

 圖3. 牛角瓜纖維基可穿戴柔性傳感器在人體區(qū)域傳感網(wǎng)絡中的實時監(jiān)測應用

  上述研究結(jié)果表明，該團隊開發(fā)的牛角瓜纖維基多功能可穿戴應變傳感器具有可調(diào)控的靈敏度、快速的響應速度、優(yōu)異的機電性能和耐濕熱穩(wěn)定性，能夠用于人體區(qū)域傳感網(wǎng)絡的構(gòu)建，在個人和公共數(shù)字健康管理方面展現(xiàn)了廣闊的應用前景。該團隊還獲得了2022年第八屆中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽全國總決賽金獎。該工作是項目團隊近期在應變傳感器相關領域取得的最新研究進展之一（Cellulose, 2022, 29, 3545-3556；Chemical Engineering Journal, 2023, 459: 141628）。

論文第一/通訊作者簡介：

  張君澤：碩士生、蘇州大學紡織與服裝工程學院，研究方向為智能功能紡織品。

  劉    靜：碩士生、蘇州大學紡織與服裝工程學院，研究方向為智能功能紡織品。

  劉澤堃：英國曼徹斯特大學材料學院博士、英國牛津大學博士后，研究方向為功能化纖維在生物、智能穿戴和能源環(huán)境方面的應用。

  李翼：曼徹斯特大學材料系講座教授，英國皇家藝術制造與商業(yè)學會終身院士，英國國際紡織協(xié)會院士。 主要從事功能化纖維應用于生物醫(yī)用紡織、功能紡織材料、智能穿戴和能源環(huán)境等方面的研究工作。已指導博士畢業(yè)生68余人，研究人員150余人。發(fā)表學術論文600余篇，其中SCI/CPCI論文451篇，引用16222次，h-index 67，i10-index 271，被公認為智能功能紡織品的國際領先專家。 2013年入選湯姆森路透社“高被引科學家”名單。擁有80多項專利，其中46項在中國、美國和澳大利亞獲得授權(quán)，28項知識產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)移到工業(yè)界。受邀超過 130 次的主題演講/大會報告，在研究與轉(zhuǎn)化方面獲得了超過 53 項獎項。課題組主頁：https://www.research.manchester.ac.uk/portal/henry.yili.html 

  李剛：蘇州大學現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室教授、博士生導師。江蘇省第十五批“六大人才高峰”高層次人才、江蘇省“雙創(chuàng)計劃”科技副總?cè)脒x人才、江蘇省僑聯(lián)青年委員會委員、蘇州大學僑青會副會長。主要從事絲蛋白生物材料、醫(yī)用紡織材料和功能紡織品等跨學科方面的研究工作。香港理工大學博士，導師為曼徹斯特大學材料系Chair Professor李翼教授；美國塔夫茨大學訪問學者，導師為美國國家工程院院士David Kaplan教授。主要發(fā)表中英文論文100余篇，申請專利70余件和國際PCT專利2項，已授權(quán)專利45件。先后主持和參與國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃等項目10余項。曾獲“香港首屆創(chuàng)新大賽”冠軍、第八屆中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽全國總決賽金獎和全國紡織優(yōu)秀碩士論文指導老師等榮譽。課題組主頁：http://web.suda.edu.cn/tcligang/ 

  論文信息：Junze Zhang, Jing Liu, Zeyu Zhao, Weiwei Sun, Gaojuan Zhao, Jingge Liu, Jianchu Xu, Yuling Li, Zekun Liu, Yi Li, Gang Li. Calotropis gigantea Fiber-based Sensitivity-tunable Strain Sensors with Insensitive Response to Wearable Microclimate Changes. Adv. Fiber Mater., 2023. https://doi.org/10.1007/s42765-023-00270-y