浙理工张兆发/田伟 AFM：适用于多场景的可多维度集成式可穿戴纱线传感器

2024-11-06 来源：高分子科技

可穿戴传感器可以充当人机交互之间的桥梁。可穿戴传感器的进步为人工智能应用的开发和增强做出了重大贡献。在这些可穿戴传感器中，基于纱线和织物的传感器因其高柔韧性、透气性、舒适性和独特的耐磨性而受到广泛关注。然而，当前基于纱线的传感器主要用作应变、压力或温度传感器的一种类型。这些1D传感器仅能够响应单个外部刺激，故被归类为单信号传感器。因此，现有的1D传感器无法识别和表达来自外部刺激的多个信号，并迫切需要构建可用于多场景的功能性可穿戴纱线传感器。

为了解决1D导电纱的单一传感特性和环境不耐受的问题，浙江理工研究团队利用仿生策略和协同增强效应，创新性地实现了石墨烯在聚酰亚胺纱线基材上高效层层负载，并制备了一种具有分层导电网络结构功能性导电线。所制备的还原氧化石墨烯-聚酰亚胺复合纱线（rGO-PYs）不仅表现出优异的导电性。还被用于构建多场景应用的功能性和多维传感器，以实现多种机械刺激的实时检测。rGO-PYs表现出较宽的弯曲和压力响应范围（0°-180°和0.12–62.39 KPa）、快速响应和恢复时间（均<100 ms）以及出色的循环稳定性（＞5000次）。在可穿戴方面，所制备的纱线基传感器展现出了出色的实时监控人类活动的功能，例如关节运动、语音、写作、呼吸、脉搏和心率。此外，rGO-PYs对恶劣环境表现出卓越的抵抗力，无论是在液氮（-196 °C）、高温（300 °C）、还是酸碱的侵蚀都不会显损坏其外观和传感性能。至关重要的是，由rGO-PYs扩展为集成式的2D织物，仍保持了其卓越的多维传感特性。点接触式压力传感器和压力传感阵列在识别压力及其分布方面表现出卓越的应用潜力。这项工作建立了一个从制备到应用的综合系统，包括1D功能纱线大规模制造、传感性能验证、多维传感器的集成开发以及多样化的跨场景应用。该创新系统将传统纱线转化为智能面料，进一步将功能性纱线推进为多维传感器（1D到2D和3D），使其能够实现多样化和多场景的应用。

本工作以题目为“Multi-Scenario Applications of Multi-Dimensional Yarn-Based Wearable Integrated Sensors”发表在国际学术期刊Advanced Functional Materials上。浙江理工大学研究生马骞程为第一作者，浙江理工大学张兆发讲师和田伟教授为本文的共同通讯作者。

图1 rGO-PYs的规模化生产及宏微观形貌

图2 rGO-PY的应变传感特性

图3 基于rGO-PY构建的点接触式压力传感器及其性能

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202415044

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