石墨烯基可穿戴纖維傳感器取得進(jìn)展

可穿戴應(yīng)力應(yīng)變傳感器可用于收集人體重要信號(hào)和人機(jī)交互，實(shí)際應(yīng)用對(duì)傳感器的穿戴舒適度、重量、可靠性和穩(wěn)定性的要求很高。將傳感器集成到傳統(tǒng)纖維中，利用其可直接編織到衣物的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)對(duì)人體局部形變的準(zhǔn)確捕捉，是可穿戴傳感器件小型化和集成化的重要思路。

石墨烯高分子復(fù)合纖維具有質(zhì)量輕、信號(hào)噪聲低、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，可用于電阻型應(yīng)變傳感器。對(duì)于感知心臟跳動(dòng)、脈博和眨眼等人體局部微小形變，其應(yīng)變?cè)?10%范圍，需要傳感器件在發(fā)生形變時(shí)結(jié)構(gòu)和電阻變化大，即高靈敏度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的精確捕捉和對(duì)不同動(dòng)作狀態(tài)的準(zhǔn)確辨析。

近日，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所丁古巧研究員課題組提出通過(guò)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)減少石墨烯與高分子接觸面積來(lái)提高靈敏度。他們利用石墨烯/聚偏氟乙烯/聚氨酯DMF體系在水相的相分離過(guò)程，制備了高分子納米球修飾的石墨烯多孔網(wǎng)絡(luò)纖維，這種結(jié)構(gòu)大幅增強(qiáng)了該纖維在發(fā)生形變時(shí)石墨烯片層之間的結(jié)構(gòu)變化，從而實(shí)現(xiàn)石墨烯基纖維靈敏度的顯著提高。其靈敏度因子值在05%應(yīng)變時(shí)為51，在5%8%應(yīng)變時(shí)達(dá)到87，通過(guò)編織集成，他們進(jìn)一步驗(yàn)證了該纖維在人體重要信號(hào)收集的準(zhǔn)確性和對(duì)不同動(dòng)作狀態(tài)分析的可行性。同時(shí)，這種新型石墨烯基纖維傳感器最低形變檢測(cè)限達(dá)到0.01%，較好的應(yīng)變—電阻線性關(guān)系可保證在信號(hào)后處理上的準(zhǔn)確性，超過(guò)6000次的循環(huán)壽命有利于實(shí)際應(yīng)用的穩(wěn)定性。

將此纖維編織進(jìn)紗布并作為眼罩，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)眼球的轉(zhuǎn)動(dòng)等信息，未來(lái)可用于眼疾病人的監(jiān)測(cè)和睡眠監(jiān)測(cè)；將該纖維集成到創(chuàng)口貼中，貼到手腕處，能夠識(shí)別手腕脈搏表現(xiàn)出的不同信號(hào)；該纖維也可編入手套，對(duì)手的彎曲程度進(jìn)行感應(yīng)，準(zhǔn)確把控傳遞出的的動(dòng)作信號(hào)。小球結(jié)構(gòu)的存在，賦予了該纖維比普通纖維更高的靈敏度，體現(xiàn)了石墨烯基應(yīng)變傳感器件在智慧醫(yī)療、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。