香港城市大学胡金莲教授课题组《Adv. Mater.》: 低滞后、超快响应/恢复的柔性纺织基压力传感器
近年来，通过监测生理信号用于便携式、可穿戴、长期医疗保健和远程医疗诊断的智能电子传感技术受到越来越多的关注。其中，表皮脉搏作为一种重要的身体信号，可以很好地用于医疗或自我调节。在用于脉搏检测的各种压力传感器中，基于纺织材料的柔性压力传感器取得了很大的进展，这归因于纺织材料具有良好的柔韧性和变形能力，能够承受剪切力、弯曲力和压缩力。由于纤维之间的相互作用，纺织传感器存在普遍的滞后效应，这是几乎所有类型的纺织品传感器中最突出和不可避免的问题之一。
为了实现纺织柔性压阻器件在灵敏度、可重复性、线性度、滞后、响应/弛豫时间和工作电压方面平衡的性能，胡金莲教授课题组提出了一种类DNA双螺旋纱线结构的超快响应/恢复柔性压阻传感器以用于表皮脉搏监测。该传感器在灵敏度 (0.57 kPa -1)、响应时间 (2 ms)、弛豫时间 (2 ms)、线性度 (4.9%)、波动性 (7.8%)、耐用性 (6000 次循环) 和滞后性(5.3%)等方面都表现出了平衡的性能。
图1. 使用分层纺织结构组装的柔性压力传感器。（a）双螺旋结构的加捻纱线（插图显示meta-DNA 结构）（b）和具有芯鞘结构的纤维（c）。d-f) SEM 图像显示相应织物 (d)纱线 (e) 和纤维 (f) 的表面形态。g) 夹层织物压力传感器的设计。该织物与聚萘二甲酸乙二醇酯 (PEN) 薄膜（绿色）、封装凝胶（灰色）、叉指电极（黄色）和聚酰亚胺（PI）基材（蓝色）结合在一起。h) 纺织传感器显示出良好的柔韧性。i) 用胶布绷带组装的纺织传感器原型。
导电织物由芯鞘纤维、加捻双螺旋纱线到平纹针织物制成的自下而上的分层纺织结构设计。其可以灵活地组装成胶布绷带中的传感器。将制备的导电织物剪裁成特定尺寸并与其他传感器单元集成以形成夹层结构，如图1g所示。然后，将纺织层组装在一对定制的软金电极上，这些电极早先沉积在薄的PI基板上。随后对纺织单元进行凝胶封装，传感器结构由PEN薄膜覆盖。
图2. 使用/不使用加捻纱线的不同纺织传感器特性。
图 3. 纺织传感器性能及其在表皮脉搏检测中的应用. a) 纺织传感器的超快响应/松弛时间（1kHz采样率）。b)作为响应时间函数的基于纺织品的压力/应变传感器的RI。c)在30到100 kPa的三种不同压力下在1Hz触发（每秒1个循环）下测试的纺织传感器的耐用性。d)纺织传感器对谷物装载和卸载的电流响应。e)通过纺织传感器检测颈部或手腕上的表皮脉搏。f)运动前后监测手腕脉搏信号。g)从正常女性志愿者和诊断为窦性心动过缓的男性志愿者收集的手腕脉搏信号。h)根据 (g)的结果，每个完整循环中的相关信号峰值。P1和P2分别是冲击波和潮汐波。ΔT是冲击波和潮汐波之间的时间。i) 正常女性志愿者和诊断为窦性心动过缓的男性志愿者之间的AI和 ΔT 的比较。
图 4纺织传感器在中医中的潜在应用。a) 1×3 传感器阵列附着在“寸”、“关”和“尺”位置用于脉搏检测。b) 不同压力下“关”位置的脉搏信号，由腕带调节以模拟脉搏期间的“浮”、“中”和“沉”三个压力级别触诊。
与其他纺织传感器相比，该工作没有添加额外的弹性体而基于独特的双螺旋结构就呈现出令人印象深刻的快速响应/恢复能力。该纺织传感器能够检测不同身体位置（例如颈部和手腕）的脉搏信号，以及运动前后细微的脉搏变化，同时利用传感器阵列模拟中医中对寸、关、尺位置的脉搏触诊，有利于推进中医脉诊现代化发展，对医疗保健监测表现出的巨大潜力。
该研究以“Ultrafast-Response/Recovery Flexible Piezoresistive Sensors with DNA-Like Double Helix Yarns for Epidermal Pulse Monitoring”为题发表在Advanced Materials上。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202104313
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