苏大李刚教授、英国曼大李翼教授和牛津大学刘泽堃博士合作 AFMs: 牛角瓜纤维基可穿戴柔性应变传感器

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可穿戴传感器在监测人体运动和健康方面发挥着越来越重要的作用。传统型传感器的传感可靠性在人体穿戴时会受到人体微界面温度和湿度变化的影响，导致身体区域传感网络的传感精度不佳。为此，项目团队对牛角瓜纤维进行石墨烯导电功能化改性，联合使用牛角瓜纤维纱线和弹性纱线制备出应变传感器。所研制的传感器具有响应速度快（<60 ms）、耐久性高（>3000次）和透湿性好（水蒸发率≈2.03 kg m^-2 h^-1）等优点。另外，传感器的灵敏度可以通过改变宽度进行简便调控，尤其是该传感器能够在不同的温度和湿度变化下保持稳定的信号输出。该传感器可以用来构建全身的传感网络，实时监测人体运动和健康信号，将在未来个性化医疗保健和公共卫生管理方面展现出广阔的应用前景。

2023年2月3日，苏州大学现代丝绸国家工程实验室李刚教授、英国曼彻斯特大学材料学院Chair Professor李翼教授和牛津大学Botnar研究中心刘泽堃博士合作，设计开发了一种牛角瓜纤维基多功能可穿戴柔性应变传感器，能够在反复变化的可穿戴界面微气候环境下工作，并能够稳定可靠地检测人体各项运动信号。该项工作以“Calotropis Gigantea Fiber-based Sensitivity-tunable Strain Sensors with Insensitive Response to Wearable Microclimate Changes”为题发表在国际学术期刊Advanced Fiber Materials上（DOI: 10.1007/s42765-023-00270-y）。苏州大学硕士张君泽（现香港理工大学博士生）、苏州大学硕士生刘静为共同第一作者，苏州大学李刚教授、英国曼彻斯特大学李翼教授和牛津大学刘泽堃博士为共同通讯作者。合作作者还包括东华大学李毓陵教授，中国科学院昆明植物研究所、红河山地未来中心许建初教授、赵高卷博士，香港理工大学赵泽宇以及苏州大学孙玮玮、刘竞舸。该工作得到了科技部国家重点研发计划、科技部国际合作司项目和中国纺织工业联合会“纺织之光”应用基础研究等项目的支持。

研究团队通过选取石墨烯功能化的牛角瓜纱线和弹性纱线作为功能性元件，开发了牛角瓜纤维基多功能可穿戴应变传感器。牛角瓜具有强大的生态修复和环境治理能力，是一种宝贵的农业和纺织资源。其纤维天然抗菌，具有80-90%的中空结构，相比于常见纤维（棉、麻和羊毛纤维），更加质轻柔软和保暖舒适，可作为可穿戴设备的理想材料之一。在应变传感器中，石墨烯功能化的牛角瓜纱线用作纬纱赋予了织物良好的导电性能，并且有效避免了传感器经向拉伸时的磨损（耐久性>3000次），弹性纱线用作经纱保证了传感器的可拉伸性（伸长率>100%）。可以通过改变织造宽度来简便调节相邻的导电牛角瓜纱线之间的接触点的数量，从而可以调控应变传感器的灵敏度。由于传感器表面含有极少的含氧官能团，在不同温度和湿度环境下仍然保持性能稳定。该传感器能够在人体传感网络中实时监测人体的运动情况，在个人健康管理和人机交互领域具有广阔的应用前景。

图1. 牛角瓜纤维基可穿戴柔性传感器的制备过程示意图

 图2. 牛角瓜纤维基可穿戴柔性传感器在拉伸下的电响应和相应机制展示

 图3. 牛角瓜纤维基可穿戴柔性传感器在人体区域传感网络中的实时监测应用

上述研究结果表明，该团队开发的牛角瓜纤维基多功能可穿戴应变传感器具有可调控的灵敏度、快速的响应速度、优异的机电性能和耐湿热稳定性，能够用于人体区域传感网络的构建，在个人和公共数字健康管理方面展现了广阔的应用前景。该团队还获得了2022年第八届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛全国总决赛金奖。该工作是项目团队近期在应变传感器相关领域取得的最新研究进展之一（Cellulose, 2022, 29, 3545-3556；Chemical Engineering Journal, 2023, 459: 141628）。

论文第一/通讯作者简介：

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张君泽：硕士生、苏州大学纺织与服装工程学院，研究方向为智能功能纺织品。

刘    静：硕士生、苏州大学纺织与服装工程学院，研究方向为智能功能纺织品。

刘泽堃：英国曼彻斯特大学材料学院博士、英国牛津大学博士后，研究方向为功能化纤维在生物、智能穿戴和能源环境方面的应用。

李翼：曼彻斯特大学材料系讲座教授，英国皇家艺术制造与商业学会终身院士，英国国际纺织协会院士。 主要从事功能化纤维应用于生物医用纺织、功能纺织材料、智能穿戴和能源环境等方面的研究工作。已指导博士毕业生68余人，研究人员150余人。发表学术论文600余篇，其中SCI/CPCI论文451篇，引用16222次，h-index 67，i10-index 271，被公认为智能功能纺织品的国际领先专家。 2013年入选汤姆森路透社“高被引科学家”名单。拥有80多项专利，其中46项在中国、美国和澳大利亚获得授权，28项知识产权转移到工业界。受邀超过 130 次的主题演讲/大会报告，在研究与转化方面获得了超过 53 项奖项。课题组主页：

https://www.research.manchester.ac.uk/portal/henry.yili.html 

李刚：苏州大学现代丝绸国家工程实验室教授、博士生导师。江苏省第十五批“六大人才高峰”高层次人才、江苏省“双创计划”科技副总入选人才、江苏省侨联青年委员会委员、苏州大学侨青会副会长。主要从事丝蛋白生物材料、医用纺织材料和功能纺织品等跨学科方面的研究工作。香港理工大学博士，导师为曼彻斯特大学材料系Chair Professor李翼教授；美国塔夫茨大学访问学者，导师为美国国家工程院院士David Kaplan教授。主要发表中英文论文100余篇，申请专利70余件和国际PCT专利2项，已授权专利45件。先后主持和参与国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目10余项。曾获“香港首届创新大赛”冠军、第八届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛全国总决赛金奖和全国纺织优秀硕士论文指导老师等荣誉。

课题组主页：

http://web.suda.edu.cn/tcligang/ 

论文信息：

Junze Zhang, Jing Liu, Zeyu Zhao, Weiwei Sun, Gaojuan Zhao, Jingge Liu, Jianchu Xu, Yuling Li, Zekun Liu, Yi Li, Gang Li. Calotropis gigantea Fiber-based Sensitivity-tunable Strain Sensors with Insensitive Response to Wearable Microclimate Changes. Adv. Fiber Mater., 2023. 

https://doi.org/10.1007/s42765-023-00270-y

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