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  商用可穿戴傳感器通常需要經(jīng)過電子封裝，具有良好的抗干擾穩(wěn)定性，然而，封裝使其不透氣，作為人體傳感器使用時(shí)，會(huì)影響人體和外界的氣體交換，損害了人體穿戴的舒適性。此外，人體出汗后無(wú)法排出，會(huì)引起皮膚炎癥和其他皮膚疾病。上述弊端，導(dǎo)致現(xiàn)有商用傳感器無(wú)法長(zhǎng)期接觸人體佩戴。針對(duì)以上問題，西安工程大學(xué)樊威教授團(tuán)隊(duì)及其合作者采用航天飛行器高性能纖維結(jié)構(gòu)件中常用的三向正交織物所用的3D織造方式，將具有不同吸濕性能的絕緣紗線對(duì)PVDF壓電紗線和導(dǎo)電紗線進(jìn)行封裝，開發(fā)了一種免電子封裝且具有反重力單向液體輸送功能的3D結(jié)構(gòu)全纖維自供電應(yīng)變傳感器。

  該工作首先通過共軛靜電紡絲和熱牽伸工藝，制備出強(qiáng)度高達(dá)313.3 MPa的PVDF壓電納米纖維紗線（滿足3D織造的要求），隨后采用3D紡織技術(shù)，將PVDF壓電紗線、導(dǎo)電紗線和不同吸濕性能的絕緣紗線按照?qǐng)D1所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分布，織造成3D壓電織物(3DPF)傳感器。在已報(bào)道的柔性壓電傳感器中，3DPF的抗拉強(qiáng)度最高，達(dá)到46.0 MPa。此外，構(gòu)建的3D織物從底層到表層的紗線具有梯度吸濕效應(yīng)，Z向紗線具有超強(qiáng)的芯吸效應(yīng)，使得3DPF具有反重力單向液體輸送的功能。人體運(yùn)動(dòng)出汗后，汗液可以在4秒內(nèi)從靠近皮膚側(cè)的內(nèi)層反重力運(yùn)輸?shù)酵鈱�，為用戶提供了舒適干燥的佩戴環(huán)境。更重要的是，人體正常出汗后，不但不會(huì)降低3DPF的壓電輸出性能，反而會(huì)增強(qiáng)其壓電性能。此外，3DPF的耐用性和舒適性與商用棉T恤相似的級(jí)別，可滿足人體日常穿著的要求。此工作采用常規(guī)不導(dǎo)電商用紗線對(duì)導(dǎo)電和壓電紗線進(jìn)行封裝的策略為開發(fā)其他類型的可呼吸的柔性可穿戴電子設(shè)備提供了一種新的設(shè)計(jì)思路。目前，該工作以“Sweat permeable and ultrahigh strength 3D PVDF piezoelectric nanoyarn fabric strain sensor”為題發(fā)表于《Nature Communications》。

圖1. 3DPF的制備與結(jié)構(gòu)示意圖

圖2. 熱牽伸前后PVDF納米紗線的形貌和性能

 圖4. (a)等距視角和(b)主視角下3DPF的反重力單向液體輸送情況模擬圖

圖5. 3DPF的壓電性能

圖6. 3DPF的耐用性和舒適性

  3DPF具有良好的可穿戴性和出汗增強(qiáng)的電輸出性能，適合作為自供電開關(guān)長(zhǎng)期佩戴。因此，可將3DPF設(shè)計(jì)為具有自供電觸發(fā)功能的開關(guān)。3DPF作為床單使用，具有病床呼叫的功能；而單向輸水功能保持皮膚和床單表面干燥，特別是尿失禁病人使用可以防止褥瘡。3DPF也是在兒童腰帶上創(chuàng)建隱藏開關(guān)的理想組件(圖7d)，因?yàn)槟阃庥^和正�？椢镆粯印Ｗ呤和ㄟ^按壓腰帶觸發(fā)報(bào)警，將GPS定位信號(hào)發(fā)送至家長(zhǎng)和警察，實(shí)現(xiàn)及時(shí)干預(yù)和救援。

圖7. 3DPF的應(yīng)用

  原文鏈接：Wei Fan* et al. Sweat permeable and ultrahigh strength 3D PVDF piezoelectric nanoyarn fabric strain sensor, Nature Communications, 2024, 15, 3509.

  https://doi.org/10.1038/s41467-024-47810-7