西安交大BEBC《Matter》：仿生叠覆鳞片力学结构设计的PEDOT:PSS用于广域可穿戴应变传感

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导电聚合物聚（3,4-乙烯二氧噻吩):聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）因其优异的导电性、溶液可处理性和力学柔性，已广泛应用于太阳能电池、超级电容器、发光二极管、有机电化学晶体管等研究领域，并随着可穿戴健康监测的兴起，近年来逐渐在柔性传感领域崭露头角。体表应变作为可穿戴健康监测的重要指标，可有效反映人体健康信息，如腕部桡侧的皮肤应变可用于脉搏提取、肢体关节应变则是运动康复评估中的重要参考指标。不过，由于人体变形幅度各异、跨越两个数量级（如脉搏应变<5%、四肢关节应变>100%），开发具有宽检测范围的广域应变传感器势在必行。然而，PEDOT:PSS本征延展性较差，断裂应变不足20%，为广域应变传感器的开发带来挑战。

大自然中蛇等软体爬行动物的体表由交错重叠的刚性鳞片包裹，这些鳞片可通过相对滑移顺应吞咽、移动等活动中的皮肤变形。受这一现象启发，研究人员开发了可延展的仿生叠覆鳞片结构，并通过基底预拉伸与多步旋涂制备了具有该结构的PEDOT:PSS。外部拉伸下，重叠的PEDOT:PSS微尺度鳞片相互滑动，显著降低鳞片自身承受应变，实现结构延展。研究发现，所开发叠覆鳞片结构的PEDOT:PSS可承受超过100%的应变（图1）。进一步利用变形下鳞片滑移产生的总体电阻变化，可实现应变传感，且传感器检测范围及灵敏度可通过改变基底预拉伸幅度灵活调控。

图1仿生叠覆鳞片结构广域应变传感器。（A）蛇皮表面交错重叠的鳞片；（B）叠覆鳞片结构PEDOT:PSS变形机理；（C）叠覆鳞片结构PEDOT:PSS用于应变传感：（D）所开发叠覆鳞片结构PEDOT:PSS在广域传感中的优势。

为探究所开发广域应变传感器在可穿戴应用中的前景，研究人员首先在传感器底部黏附薄层水凝胶，以提升器件与人体皮肤的力学-生物相容性。为模拟器件在使用场景中承受的力学载荷，通过拉伸测试与剪切剥离测试系统探究了黏附界面的力学稳定性。进一步将传感器贴附于人体表不同部位，实现了对于脉搏、发声、吞咽、面部表情、肢体运动等不同幅度应变的传感（图2），展现了应用于可穿戴物理运动监测、心理状态评估的巨大潜力。

图2仿生叠覆鳞片结构广域应变传感器的可穿戴应用。（A）传感器结构及可穿戴测试；（B-F）传感器的可穿戴应用：脉搏（B）、发声（C）、吞咽（D）、面部表情（E）及肢体运动（F）。

相关研究成果发表于国际材料领域顶刊Matter（Matter. 2021, 4, 1-16）。论文的第一作者为西安交通大学仿生工程与生物力学研究所（BEBC）刘灏特聘研究员，西安交通大学徐峰教授、香港大学张世铭助理教授以及美国加州大学洛杉矶分校Ali Khademhosseini教授为共同通讯作者。

文章链接：

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(21)00304-0

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