得益于復(fù)合材料的創(chuàng)新制造技術(shù)，可穿戴柔性應(yīng)變傳感器能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地監(jiān)測人體皮膚的微小振動。高靈敏度和寬工作范圍，是高質(zhì)量應(yīng)變傳感器的關(guān)鍵參數(shù)，但由于結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性的限制，很難在同一傳感器上同時實現(xiàn)這兩種特性。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，清華大學(xué)張瑩瑩教授團隊首次提出了一種柔性應(yīng)變傳感器設(shè)計，采用疊加平行排列和隨機排列碳納米纖維（CNF）制成的膜，既實現(xiàn)了高靈敏度，又實現(xiàn)了寬應(yīng)變檢測范圍。這項研究成果已經(jīng)發(fā)表于近期的Nano Research。

柔性應(yīng)變傳感器在健康監(jiān)測、活動監(jiān)測、智能織物以及人機交互領(lǐng)域都有應(yīng)用。張瑩瑩教授研究團隊為唇語識別系統(tǒng)設(shè)計了一種柔性應(yīng)變傳感器，可以幫助聲帶受損的用戶進行日常交流。

據(jù)稱，這種唇語識別系統(tǒng)可以為聲帶受損的用戶直接快速地翻譯語句，大大降低日常溝通中的障礙。

為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，傳感器需要能夠從用戶面部肌肉的運動中收集信息，同時還能區(qū)分細微的變化。滿足這些要求的唯一方法，是制備一種既具有高靈敏度又具有寬應(yīng)變檢測范圍的柔性應(yīng)變傳感器。

與傳統(tǒng)由剛性、笨重金屬制成的傳感器不同，這種柔性應(yīng)變傳感器可以活動并順應(yīng)人體皮膚，而不會引起不適。這類傳感器通常由彈性聚合物與導(dǎo)電材料（如石墨烯、碳納米管、金屬納米顆粒、金屬納米線或液態(tài)金屬）組合而成，使它們可以整合到衣服中或直接粘附到人體皮膚上。

到目前為止，大多數(shù)現(xiàn)有報道的可穿戴應(yīng)變傳感器要么顯示出較大的應(yīng)變工作范圍，要么顯示出較高的靈敏度，但無法兩者兼而有之。根據(jù)材料的差異，具有較大應(yīng)變檢測范圍的應(yīng)變傳感器可以彎曲或拉伸超過400%。然而，具有大應(yīng)變檢測范圍的傳感器通常表現(xiàn)出較低的應(yīng)變系數(shù)（靈敏度指標(biāo)），指的是檢測皮膚微小振動的能力。

這兩種特性似乎是互斥的：為了實現(xiàn)高靈敏度，當(dāng)檢測到振動時，微結(jié)構(gòu)傳感層的導(dǎo)電性需要顯著改變。

相反，為了實現(xiàn)更寬的感測范圍，傳感層應(yīng)連續(xù)導(dǎo)電，即使在很大的拉伸應(yīng)變下也是如此。因此，具有寬應(yīng)變檢測范圍的高靈敏度，似乎是遙不可及的，特別是對于由單一導(dǎo)電介質(zhì)組成的傳感器。

為此，張瑩瑩教授研究團隊設(shè)計了一種策略，以同時實現(xiàn)這兩種期望的特性。

當(dāng)傳感器中膜的碳納米纖維平行排列（p-CNF）時，膜表現(xiàn)出低應(yīng)變檢測限和高靈敏度，而隨機排列（r-CNF）膜表現(xiàn)出更寬的應(yīng)變檢測范圍。

通過疊加平行排列和隨機排列的碳納米纖維膜，研究人員實現(xiàn)了同時具有高靈敏度和寬應(yīng)變檢測范圍的柔性應(yīng)變傳感器。

研究團隊證明，該傳感器可以準(zhǔn)確區(qū)分關(guān)節(jié)彎曲等大動作，還可以檢測面部表情、眼睛轉(zhuǎn)動、脈搏和說話等細小動作。

作為概念驗證，研究團隊通過集成p/r-CNF應(yīng)變傳感器、Arduino開源電子平臺和一個揚聲器，開發(fā)了一種智能唇語識別系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以“閱讀唇語”，通過解讀嘴唇的動作來正確跟蹤語音符號，然后執(zhí)行相應(yīng)的指令，例如輸出燈光或音頻信號。

這種p/r-CNF應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)，還可以應(yīng)用于其他高性能健康管理及醫(yī)療輔助傳感器設(shè)計。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1007/s12274-022-5162-0

審核編輯：劉清