大连理工大学牛文斌教授CEJ：在可视化交互式织物传感器件领域取得新进展

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现代电子设备日益多样化和复杂的需求推动了可拉伸和可穿戴电子设备的快速发展。其中，基于织物的可穿戴电子产品因其具有质轻、良好的柔韧性和生物相容性、可水洗性及内在的保暖舒适特性而备受人们青睐。然而，目前以织物为基础的电子产品局限于单一的电信号输入/输出，需要用到外部的电子仪器对得到的电信号数据进行处理，因而外界刺激并不能直接被人眼可视化，限制了它在可视化智能人机交互中的多样化应用；并且电信号容易在外界干扰下（温度和湿度的变化）呈现出不规律的波动，从而在监测人体运动时造成测量误差。

有鉴于此，大连理工大学牛文斌、张淑芬教授等和加州大学洛杉矶分校的材料科学与工程系贺曦敏教授合作，将超分子光子弹性体和具有多层纤维结构的导电涤纶织物结合起来，合作开发设计并制备了一系列具有快速和持久的光电双响应的交互力致变色电子织物（MET）传感器，并进一步展示了它们在可视化可穿戴电子产品中的应用。

图1 MET传感器的结构与应用示意图

首先，他们通过聚四氢呋喃（PTMG）、异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）和1,5-戊二醇（PDO）之间的缩聚反应合成了一种氢键交联的新型超分子弹性体（PTIP）。由于微相分离结构的存在，PTIP具有较大的拉伸应变（>1250%）、机械强度（2.0 MPa）、高韧性（17.6 kJ m^-3）和良好的机械回弹性能。其次，利用光子带隙和氢键的协同作用，在超分子弹性体中嵌入三维光子晶体结构，制备了一种具有快速和可逆的力致变色特性的新型的超分子光子弹性体（PE）。另外，通过原子层沉积（ALD）在涤纶纤维表面化学共轴生长一层导电透明的Al掺杂ZnO（AZO） 薄膜，得到了一种具有分层纤维结构的导电涤纶织物（CPT）。合成的CPT具有优良的机电性能的独特的负电阻响应。

图2 （a）PTIP超分子弹性体的合成及结构；（b）MET传感器的制备过程示意图

基于上述PE和CPT各自优异的光电特性，他们将二者耦合制备出一种新型的MET织物传感器。得益于其独特的半嵌入式结构，MET传感器不仅表现出明显的负电阻响应，而且在拉伸时还具有同步的力致变色能力。值得注意的是，MET传感器具有明亮的结构颜色，高韧性(35.6 kJ m^-3)，优异的机械弹性，快速的光电响应(0.30 s)和恢复速度(0.22 s)，最重要的是，即使在3万次拉伸/释放周期后，MET传感器的结构颜色和电响应仍然保持不变，具有优异的机械稳定性、可靠性和优良的稳定性。

图3 MET传感器的机械和力致变色性能

图4 MET传感器的机电和交互性能

最后，考虑到MET传感器对外界应变具有同步稳定的光电双信号响应，他们进一步将它作为一种新型的可视化交互装置，其中颜色变化可由人眼直接感知并通过光谱进行量化，电信号变化可由电子仪器准确记录，从而实现了对人体各种关节运动的交互式、可视化、动态实时监测，为基于导电织物的可视化交互传感器的实现开辟了道路。

图5 MET传感器作为一种可视化交互装置的检测人体关节运动

相关成果发表近日发表在《Chemical Engineering Journal》上。论文的通讯作者为大连理工大学牛文斌教授，第一作者为化工学院博士生赵凯。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894721024554

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