曼彻斯特大学李翼、李加深和福大赖跃坤《Nano-Micro Lett.》综述：功能化纤维的应变传感器 - 下一代可穿戴柔性电子

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纤维具有加工灵活性、穿着舒适性、出色的使用寿命及低成本和大规模生产的高可行性等诸多优势，因此基于纤维的可穿戴应变传感器在近年来受到了广泛的关注，并逐渐在运动检测、医疗保健、人机交互、人工智能等方面展露出优秀的研究价值及应用前景。英国曼彻斯特大学李翼教授、李加深博士团队和福州大学赖越坤教授团队结合近年来的典型案例，对纤维基的可穿戴应变传感器研究进展进行了系统性的评述。该工作重点强调了器件的穿着舒适性，在穿着微气候以及复杂力学输入中的传感稳定性和抗干扰等性能，并指出了相关研究的未来发展方向。

图1. 图文摘要

使用导电纤维制造应变传感器是生产相应的高性能纤维基可穿戴传感器的重要手段。现阶段主要制造手段可分为纺丝、表面涂层和诱导结构转变三种，并在文章中展示了其在高性能及低成本等方面取得的可观研究成果。本工作同样通过对于弹性体封装和无封装传感器的分类讨论，系统分析了主流的应变传感机理。在使用弹性体支撑的相应设备中，导电纤维和弹性体分别充当传感元件和机电保障组件。由于两者的机械性能存在明显差别，因此拉伸过程中导电纤维所产生的裂缝或断裂等会导致电阻的显著增加，而大量的相关成果反映了其出色的灵敏度及拉伸性。相比于被封装的传感器形态，无封装的纤维基应变传感器可提供更优秀的穿戴舒适度，且能够更方便地通过表面处理或纤维混合等方式与纱线乃至织物集成（图2）。相较于多数弹性体封装的制造方法，无封装的纤维基导电纤维可与纺织品灵活结合，通过调整纺织品及导电纤维的材料，结构，图案准确控制该织物的性能。例如编织、刺绣、针织、编织等等多种传统纺织工艺则可进一步给予无封装传感器大规模生产及提高舒适度的可能。

图2. 各类无封装的纤维基应变传感器. （a-b）通过缝纫方式将导电纱线引入纺织品的示意图及导线在0和50%应变下表面形态的变化.（c-f）通过刺绣方式将铜沉积纱线刺绣到织物中的示意图及图像.（g）该刺绣传感器在不同状态下的电阻模型变化. （h-j）使用圆形针织机制备多种结构应变传感器纺织品的示意图及照片. （k-l）上述传感器中导电纤维表面产生的拉伸裂纹. （m-n）使用导电纱线制备针织应变传感器的工艺及结构示意图. 

通过身体监测，人机交互/娱乐及功能集成三个方面（图3），文章详细论述了纤维基的可穿戴应变传感器近年来开拓的应用场景与可行优化。灵敏度的提升给予了相关设备实时侦测例如声带震动，咀嚼，面部表情变化，脉搏甚至心跳等微小形变的能力，展现了面部传感与健康指标监控等方面的潜力，而高拉伸性同样提供了监测关节运动状态的可能。在衣物中添加多个传感器构成身体传感网络，以此全方位检测身体状况的想法同样于近年获得了关注与研究。将多个高性能可穿戴应变传感器组成阵列，并集成于手套，袖套等传统纺织品上则可以提供手部等部位的高性能运动监测，展现了人机交互等复杂情况下的应用场景。文章同样关注了对于纤维基传感器可靠性的提升以及多功能化的研究进展，例如减少湿度，温度或是其他形变对传感器稳定性的影响，以及对于其他环境刺激的同时传感。

图3. (a-c) 可穿戴应变传感器测量微小形变.(d) 可穿戴应变传感器测量不同步态下的膝盖运动情况.（e）身体传感网络测量全方位数据.（f）通过手部传感器阵列实时监测手部运动.

现如今，基于纤维的可穿戴应变传感器拥有了优异的性能，成熟多样的制备方法以及广泛多样的应用场景。未来的发展发向主要集中在4个方面：1）传感性能的提高，尤其是线性响应性能和低的滞后性；2）可穿性和穿着舒适性的优化；3）在复杂穿着界面和环境中的传感稳定性；4）传感和网络平台的构建的未来通讯和监测系统。

相关内容于近期以Functionalized fiber-based strain sensors: pathway to next-generation wearable electronics为题发布于Nano-Micro Letters 期刊上。该论文的通讯作者为曼彻斯特大学李翼教授、李加深博士，福州大学赖跃坤教授；曼彻斯特大学材料系博士生刘泽堃以及福州大学化工学院博士后研究员朱天雪为共同第一作者。

论文地址：

https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-022-00806-8

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