英国曼彻斯特大学李翼教授和香港理工大学郑子剑教授团队合作AFM：开发一种高性能、抗干扰的可拉伸柔性应变传感器

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近年来，柔性可拉伸传感器在人体活动和健康监测、深度学习以及人机交互方面展现出巨大的应用前景，受到广泛的关注。目前，研究者主要使用硅质的弹性体包裹导电材料，制备可拉伸的柔性应变传感器。但是该传感器透气透湿性差，穿着舒适性不理想，在实际应用中存在一定的缺陷。另一方面，可拉伸传感器在实际的应用过程中，往往会同时受到压力和弯曲变形的影响，而一般的可拉伸应变传感器对压力和弯曲也会有着明显的响应。因此，开发一种只对拉伸应变敏感、对压力和弯曲形变不敏感，同时兼具优良透气透湿性的柔性传感器，非常重要。

该团队使用无电沉积技术制备了高导电性的镀铜纱线（图1）。通过聚合物的层层接枝共聚，在纱线表面形成可以催化置换反应的催化剂，进而在纱线的表面形成一种致密的微纳米铜颗粒，实现了纱线的高导电性。

图1.无电沉积技术制备镀铜纱线.(a)无电沉积技术在纱线表面镀铜的示意图.(b)纱线表面的铜金属颗粒.

进一步通过非常巧妙的绣花技术制备了高性能的可拉伸柔性传感器（图2）。首先，将一根连续的弹性线固定，而后利用绣花技术高精度的特点，将无电沉积方法制备的导电纱线相互穿套在弹性纱线上，进而形成了一个弹性线和导电线相互垂直交错的弹性导电织物传感器。该织物传感器为纯纤维结构，像织物一样透气透湿，利于人体代谢产物的排出，保证了穿戴过程中的舒适性。

图2.织物传感器的制备过程.(a)弹性纱线的固定.(b)绣花技术固定的线迹示意图.(c)柔性传感器的实物图.(d)柔性传感器的示意图.

该传感器对拉伸应变具有很高的敏感性，而对压力和弯曲的响应相对于拉伸应变是可以忽略的，所以该传感器可以实现对拉伸应变单一输入动作的响应，从而实现在复杂运动状态下完成动作精准捕捉和感应（图3）。另一方面，传感器在较大的范围，具有很高的线性传感的特点，优于一些报道过的传感器，在实际应用过程中更有优势。在拉伸的过程中，导电纱线的相互分离，形成了数个串并联电路，从而改变传感器的电阻，实现对应变的感应。因为传感器的独特结构，保证力学的弹性纱线和保证导电性能的镀铜纱线相互独立，避免了压力和弯曲对传感器的影响。

图3.传感器的标定和机理探究.(a)传感器对拉伸应变、压力和弯曲的电学响应.(b)传感器的性能对比.(c-d)传感器对拉伸应变的传感机理图.(e-f)传感器对弯曲不敏感的机理图.(g-h)传感器对压力不敏感的机理图.

以上成果发表在以Highly Breathable and Stretchable Strain Sensors with Insensitive Response to Pressure and Bending为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。论文的通讯作者为曼彻斯特大学李翼教授和香港理工大学郑子剑教授，第一作者为曼彻斯特大学材料系博士生刘泽堃。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202007622

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