东华大学王华平/陈仕艳《ACS AMI》：裂纹结构核鞘纤维应变传感器用于人体运动检测

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近期，东华大学王华平研究员团队以热塑性聚氨酯(TPU)为弹性基体，碳纳米管(CNTs)为活性传感材料，通过同轴湿法纺丝工艺制备了一种具备裂纹结构的一体式TPU/CNTs核鞘纤维应变传感器。该纤维传感器展现出10⁴级的超高灵敏度、低于0.01%的检测限以及超过100%的宽工作范围，可满足全范围人体运动检测要求，为克服灵敏度与工作范围之间的权衡问题提供一种解决方案。其次，一体化的整合策略提供了强界面结合力，为传感器的长期循环稳定性提供了保障。最后，通过与聚氨酯纤维纺织整合，获得了可用于手势识别的智能手套，利用蓝牙无线传输技术与手机或计算机协同工作，在手指训练和盲人辅助等方面具有应用潜力。总之，一体式核鞘纤维传感器将为人体运动检测以及人机交互等领域的开发提供广阔的平台。该工作以“Crack-Based Core-Sheath Fiber Strain Sensors with an Ultralow Detection Limit and an Ultrawide Working Range”为题发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。文章第一作者是东华大学材料科学与工程学院2022级博士研究生屈向阳。该研究得到国家自然科学基金委和东华大学创新基金的支持。

图1 基于同轴湿法纺丝技术的TPU/CNTs核鞘纤维的制备流程图。

图2 纤维传感器的应变感应性能。（a）纤维传感器的ΔR/R₀-应变曲线。（b）和（c）传感器在不同应变下的循环测试。（d）传感器在不同应变下的电流-电压曲线（插图显示了60cm纤维在12v电压下点亮LED灯）（e）纤维传感器的响应和恢复时间（f）纤维传感器在不同频率下的响应能力（g）在灵敏度、最低检测限和工作范围三个方面与近年发表裂纹结构纤维传感器的对比图（h）纤维传感器超过5000次的循环稳定性测试。

图3 （a）智能手套的制备及运行机理示意图。（b）智能手套存在的潜在应用。（c）智能手套对不同手势的传感信号。

该工作是团队近期关于纤维传感器相关研究的最新进展之一。智能纤维的研究是该团队一直的研究方向（Chemical Engineering Journal 2019, 368, 1022–1032；Electrochimica Acta 2018, 283, 1578−1588；Chemical Engineering Journal 2020, 391, 123527等）。在前期，该团队还探究了细菌纤维素和银纳米线复合结构用于压力和距离传感的研究（ACS Nano 2020, 14, 15428–15439）以及制备高强细菌纤维素纤维和螺旋结构的细菌纤维素纤维用于超级电容器以及水传感器的研究（ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 1545−1554; Chemical Engineering Journal 2022, 427, 131904；ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 21319），接下来团队将对纤维的智能化以及应用进行进一步的深入研究。

原文链接： 

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.2c04559

通讯作者简介

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陈仕艳简介：

东华大学材料学院研究员，博士生导师。致力于细菌纤维素形成机理、多重结构调控、原位制备及功能材料研究。获得2014纺织工业联合会科技进步一等奖（4/12），2014纺织工业联合会科技进步二等奖一项（1/10）, 2015年上海科学技术发明一等奖（3/12）, 2015年桑麻纺织科技一等奖。2018年上海市教育系统巾帼建功标兵。第十五届上海市妇女代表大会代表。

王华平简介：

东华大学材料学院研究员，博士生导师，高性能纤维及制品教育部重点实验室主任、产业用纺织品教育部工程研究中心副主任。长期致力于纤维科学和工程研究，在聚酯纤维材料改性、加工及其资源综合利用基础理论、关键技术和应用研究方面取得了系列创新性成果，发表SCI论文100余篇；授权发明专利108项。获国家科技进步二等奖5项，省部级科技成果奖23项；获中国纺织学术大奖、全国优秀科技工作者、改革开放40年纺织行业突出贡献人物、何梁何利基金科学与技术创新奖、百千万人才工程国家级人选、全国创新争先奖、中国纺织工业联合会特别贡献奖（桑麻学者）等荣誉称号、享受国务院特殊津贴。参与制订“中国化纤工业十二五及十三五规划”、创建中国化纤流行趋势研究与发布平台、建设国家先进功能纤维制造业创新中心、编撰《中国大百科全书》纤维分卷，推动行业绿色制造，智能制造及标准体系建设。

课题组介绍

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东华大学化纤工程研究中心团队，起源于涤纶高速纺丝课题组，至今已有近40年的历史，是纤维成形理论研究与工程技术开发的专业团队。团队秉承科教融合的教育理念，坚持做有价值的研究，致力于纤维材料的创新研究与技术开发，在纤维新材料设计、纺丝成形理论与技术、功能纤维和高性能纤维、纤维绿色制造与智能制造等方面形成了多个有特色的研究方向，并拓展至复合材料、纳米材料、新能源材料等相关领域。

承担国家“六五”、“七五”、“八五”攻关项目，“十一五”、“十二五”科技支撑项目，“十三五”、“ 十四五”国家重点研发项目，国家自然基金项目，省市部重点基础项目，以及企业技术开发项目多项；获得国家科技进步二等奖5项 ，省市部科技奖多项；基础研究成果发表在行业有影响力的杂志上，技术开发成果获得多项国内外授权专利并部分实现转化。

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