南工黄维院士、于海东、孙庚志和吕刚教授团队 ACS Nano：在高性能泡沫状应变传感器研究方面取得进展

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传统的应变传感器通常由金属或半导体材料制备，其拉伸范围有限（通常小于5%），不适合在可穿戴设备中使用。泡沫式柔性应变传感器因其重量轻、透气性好、灵敏度高备受人们关注，可以作为一种可穿戴传感器，用于监测人体的关节运动、声带振动等信号，在柔性电子领域展现了巨大的应用前景。然而，目前开发的泡沫式柔性应变传感器很难既具有很高灵敏度又具有很宽检测范围，限制了其广泛的应用。因此，亟需开发具有更宽工作范围和更高灵敏度的高性能的新型泡沫式柔性应变传感器。

为了同时提升泡沫式柔性应变传感器的灵敏度和工作范围，南京工业大学先进材料研究院的黄维院士、于海东、孙庚志和吕刚教授团队结合盐模板法和浸涂法，制备了由热塑性聚氨酯(TPU)、多壁碳纳米管（MWCNTs）和Ti₃C₂T_x MXene构成的导电泡沫式材料；该TPU/MWCNTs@MXene泡沫式材料可以用来制备一种轻质、易加工、极灵敏的柔性应变传感器，在可穿戴传感器方面具有广阔的应用前景。

图1. 泡沫式柔性应变传感器的制备流程

将上述TPU/MWCNTs@MXene导电泡沫式材料用来制备压阻式应变传感器，该器件表现出了高达100％的传感范围、很高的灵敏度（GF = 363）和优异的循环稳定性；上述性能优于已有报道的泡沫式应变传感器。此外，这种新型泡沫式材料具有优良的透气性能和与皮肤相近的弹性模量，可以大幅度提升用来制备可穿戴传感器的舒适性。

为了展示该导电泡沫式材料在可穿戴式应变传感器研究的应用，研究者将其贴附于人体的不同部位来检测人体运动。这种应变传感器不仅对大幅度的运动（比如肩关节、肘部和膝盖的曲伸）具有出色的响应能力，还可以用来捕获微弱的生理信号（比如声带振动和手指弯曲）。

图2. 应变传感器用于监测人体运动。（a-c）穿戴式传感器对（a）肩关节；（b）肘部；（c）和膝盖弯曲的响应信号变化；（d）口腔张开/闭合传感器的实时相对电阻变化；（e）在发单词“I”、“A”和“M”时，传感器对声带振动的响应；（f）手指弯曲的响应信号变化

为了探索该泡沫式柔性应变传感器在手势识别和人机交互中应用前景，研究者还将多个传感器分别安装在五根手指上，手势变化时可以测得不同的信号，表明该传感器可用于监测手势变化，在手势识别、手势控制等人机交互相关的应用中具有巨大的应用潜力。

图3. TMMF应变传感器在手势识别中的应用

以上成果发表于ACS Nano，论文的文章作者为王红晨，周瑞聪，李东海，张林荣，任国章，王丽，刘金华，王德阳，唐振华；通讯作者为黄维院士、于海东教授、孙庚志教授和吕刚教授。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.1c00259

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