英国曼彻斯特大学刘旭庆课题组和尹武良课题组《ACS Nano》：提出基于拓扑结构的柔性可穿戴设备的设计概念

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可穿戴式传感器技术，尤其是持续监测各种人类健康状况，正引起越来越多的关注。然而，当前的刚性传感器存在明显的缺点，例如较低的耐用性和较差的舒适性，也是可穿戴设备亟需解决的问题。导电金属纤维是近年来的可穿戴设备领域研究的热点，尤其是将金属等导电涂层和纤维结合，形成柔性的导电纤维，这也是商业化可穿戴设备的主要实现途径。然而金属层和纤维之间缺乏结合力导致纤维的导电性随着使用次数增加而急剧下跌，从而导致传感器失效。为了提高导电涂层的导电性和耐用性，作者引入了一种“Genus-3”和“Genus-5”结构的拓扑修饰方法，并且拓扑类结构可以将金属导电粒子捕获，类似于笼子作用，从而提高金属和材料的结合力，制备耐用的导电织物。本研究基于该导电织物制成的电容式传感器具有灵活，舒适和耐用的性能。高电导率和可耐用性实现了织物电容式传感器高灵敏度和信号收集的便利性。

英国曼彻斯特大学材料学院刘旭庆和电子电气工程学院尹武良合作，从舒适的棉纤维出发，通过纤维分子的表面拓扑缠绕修饰，设计具有高导电性和舒适性的柔性传感器，可利用在老年人和康复医疗领域的信号实时收集和分析。

图一：“Genus-3”和“Genus-5”拓扑结构修饰纤维表面分子用于镍纳米离子无电沉积的示意图

图二：柔性导电织物用于可穿戴设备的示意图

他们在文章中指出，将“Genus-3”和“Genus-5”拓扑结构引入到纤维表面修饰中，可以提高金属涂层在纤维表面上的附着力和导电性。通过热诱导自由基聚合反应将含氨聚合物引入柔软的棉织物中，可以形成共价键和氢键缠结的分子拓扑笼，并捕获钯离子催化剂，用于随后在含催化剂的基织物表面上生长镍纳米粒子。 10分钟后，晶种开始穿透笼子，形成更大的颗粒。连续涂覆厚度约为500 nm的镍纳米薄膜可以实现导电织物的优异电性能。该导电织物构建的传感器可用于实时记录康复训练中的呼吸，说话，眨眼，头部运动和关节运动等动态信息。作者们相信，该系统通过纤维表面拓扑改性，得到了具有的高灵敏度、舒适和耐用的可穿戴传感器，在开发用于各种人类医疗保健中发挥着重要作用。

文章发表在ACS Nano. 第一作者是陈黎明，曼彻斯特大学博士研究生，通讯作者为曼彻斯特大学材料学院刘旭庆博士和电子电气工程学院尹武良博士。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsnano.0c01643

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