紙基柔性傳感器在未來載人航天領域的應用及展望

周湛軒 張錚 丁一

1 背景

隨著時代的不斷進步，太空已經(jīng)被人類看作是繼海、陸、空之后的第4活動領域，載人航天技術也隨之成為未來世界各國努力爭奪的新的科技創(chuàng)新制高點。宇航服作為宇航員在外太空利用最為密切的裝備，其對于宇航員的生命安全以及深空探測任務的完成都具有十分重要的意義。

作為宇航員生命安全的重要保證之一，宇航服需要對宇航員人體信號和所處環(huán)境進行實時地監(jiān)測。在溫度方面，宇航服需要通過對宇航服內環(huán)境及宇航員人體的溫度監(jiān)測，始終保證宇航員處于熱舒適狀態(tài)；在壓力方面，壓力的大小可以反映一件宇航服的氣密性良好與否，宇航服內壓力指標的實時監(jiān)測對于宇航員的生命安全有著極為重要的意義；在人體信號方面，宇航員的體表溫度、血壓、心率、呼吸、運動等信號都可以很好地反映宇航員當前的身體狀態(tài)。而傳感器作為獲取自然和生產(chǎn)領域中信息的主要途徑和手段，其以極大的數(shù)量分布在宇航服中的各個位置。由眾多傳感器組成的監(jiān)測系統(tǒng)，可以實時反饋宇航員所處的太空環(huán)境以及宇航員的各項身體指標（見圖1）。

紙作為中國古代的4大發(fā)明之一，一直以來被應用于印刷、書寫、包裝等多種用途。紙張是由一定數(shù)目的纖維搭接、堆積形成，其表面纖維排布錯綜復雜，內部存在大量明顯的孔隙結構，并具有價格低廉、質量小、透氣性好、綠色環(huán)保、易回收等特點。因此，利用紙張制備得到的傳感器，可以在一定程度上降低傳感器的制備成本、減輕傳感器的質量、增加傳感器的形狀適應性、提高傳感器的環(huán)保性以及增加人體佩戴的舒適度。上述紙基傳感器的優(yōu)異特性可以很好匹配宇航服當中的一些特殊應用環(huán)境，使其在未來載人航天電子器件領域具有一定的應用前景。

2 紙基傳感器研究現(xiàn)狀

紙的表面纖維排布縱橫交錯，表面結構凹凸不平且內部具有大量的微觀孔隙結構，若直接利用紙本身存在的天然微結構作為傳感器的敏感單元，則可以實現(xiàn)傳感器的高靈敏度檢測。目前，在全世界范圍內，已經(jīng)有很多科研人員開展了對于高性能紙基傳感器件的研究，制備得到的紙基傳感器件也已經(jīng)實現(xiàn)了對于壓力、應變、溫度、濕度等多種信號的高靈敏檢測。

清華大學任天令教授和楊軼副教授團隊[1]通過將薄紙和氧化石墨烯（GO）溶液混合，制備了高靈敏度的石墨烯紙基壓力傳感器。測試結果表明，器件的靈敏度高達17.2/kPa，壓力的測量范圍為0～20kPa。并基于該紙基壓力傳感器實現(xiàn)了手腕脈搏檢測、呼吸檢測以及各種強烈運動檢測。以紙為基底制備的壓力傳感器，在足夠的工作范圍內實現(xiàn)了超高靈敏度的壓力檢測，具有十分明顯的優(yōu)勢。器件實物圖及其壓力性能檢測如圖2所示。

澳大利亞莫納什大學的Shu Gong等人[2]通過將金（Au）納米線置于紙巾上，再將其放置在未做處理的聚二甲基硅氧烷（PDMS）和帶有叉指電極的PDMS之間，制備得到了壓力和應變雙信號檢測的紙基傳感器。該器件的壓力檢測靈敏度達到了1.14/kPa，應變檢測的靈敏度為7.38。該紙基傳感器可以實現(xiàn)脈搏的檢測和語音的識別。器件制作流程及其對脈搏的檢測和語音的識別如圖3所示。

Hanbin liu[3]等人將濾紙在炭黑和羧甲基纖維素（CMC）的混合溶液中浸泡，制備得到了基于炭黑的柔性紙基電阻應變式傳感器。當器件承受彎曲應變時，紙基表面的炭黑出現(xiàn)微裂紋，進而引起了器件電阻發(fā)生變化，傳感器從而實現(xiàn)了對應變的快速響應，反應時間為0.24s。同時，通過將該器件放置于水溶液中，實驗中發(fā)現(xiàn)大約12min器件就開始出現(xiàn)明顯的降解現(xiàn)象，體現(xiàn)了紙基器件易降解的優(yōu)良特性。器件實物圖及其應變性能和可降解性檢測如圖4所示。

蘇州大學的Jiangjiang Luo[4]等人在紙張旋涂一層聚酰胺酸溶液（PAA），在適當?shù)臏囟忍幚硐拢瑢AA轉化為聚酰亞胺（PI），在PI形成之后，通過激光直寫技術在PI層繪制預先設計好的圖案，進而制備得到基于PI/紙雙層膜結構的柔性傳感器，該傳感器可以實現(xiàn)對應力和濕度2種信號的檢測，并已經(jīng)成功應用于人體脈搏和呼吸活動的監(jiān)測。器件制作流程及其對脈搏和呼吸的檢測如圖5所示。

陜西科技大學的李志健教授團隊[5]通過在紙張上噴涂炭黑和還原性石墨烯的混合液，制備了一種柔性的多信號感知傳感器，僅使用一個器件就可以實現(xiàn)對應變、溫度、濕度和壓力4種信號的高靈敏檢測。在應變檢測方面，器件對于彎曲應變的響應時間約為340ms，靈敏度在經(jīng)過1 000次的重復性實驗后也并不會產(chǎn)生衰減。根據(jù)器件的應變傳感特性，目前已經(jīng)實現(xiàn)了對人體手指關節(jié)、肘關節(jié)和頸關節(jié)活動的實時監(jiān)測；在濕度檢測方面，器件在15%～95%的相對濕度（RH）范圍內，濕度響應靈敏度可以高達2.04。通過將器件固定在被測者的鼻子下，實現(xiàn)了對人體呼吸的持續(xù)監(jiān)測；在溫度檢測方面，器件的靈敏度達到了0.6%/℃；在壓力檢測方面，器件面對不同大小的壓力時，可以快速地產(chǎn)生不同強度的電流峰值。器件的制作流程及其對4種不同信號的檢測如圖6所示。

3 紙基傳感器在未來深空探測領域的優(yōu)勢特點

宇航服是保證宇航員生命安全的重要手段之一，在艙外，宇航服對于宇航員來說就是一個小型的載人宇航器，它需要對宇航員的身體狀況以及所處的外太空環(huán)境進行實時高靈敏的動態(tài)監(jiān)測。隨著我國載人航天科學技術的不斷發(fā)展，宇航員的出艙活動越來越頻繁，每次出艙持續(xù)的活動時間也越來越長，這就對艙外宇航服的設計提出了更高的要求[6-8]。

紙基傳感器目前已經(jīng)實現(xiàn)了對人體運動、聲音識別、溫濕度和微小壓力等多方面的高靈敏檢測，其本身所具備的諸多優(yōu)點，可以很好地匹配宇航服中的一些特殊應用場景。

3.1 性能優(yōu)異

傳感器作為宇航服監(jiān)測系統(tǒng)中的核心功能器件，對于宇航員生命安全和深空探測任務有著極為重要的意義。每一個應用在宇航服當中的傳感器都有著十分嚴格的性能標準，對于器件可靠性的要求更是如此。哪怕是再小的一個傳感器件，也需要做到萬無一失。

通過現(xiàn)有針對紙基傳感器件的研究，可以發(fā)現(xiàn)，由于紙張表面的纖維特殊排布以及紙張內部存在的大量微觀孔隙結構，若直接將紙中存在的大量微觀孔隙結構作為傳感器的敏感單元，將紙張的天然微結構作為微納結構用于傳感器的制作，得到的傳感器件往往具有較高的測量靈敏度。陜西科技大學的李志健教授團隊[5]制備得到的多信號感知紙基傳感器在測溫方面的靈敏度可以超過商用鉑溫度傳感器[9]。北京科技大學張躍團隊[10]利用直流濺射在砂紙表面制備出基于金納米薄膜的柔性應變傳感器，砂紙表面的微結構使得金薄膜表面產(chǎn)生應力集中，進而使器件的靈敏度大大提升，彎曲應變的靈敏度高達75.8，同時該傳感器的循環(huán)應變服役次數(shù)至少為18 000次，具有極高的可靠性。

紙基傳感器所具備的優(yōu)異傳感性能可以很好地滿足宇航服中對電子器件的高性能需求，可以實現(xiàn)對宇航員人體及所處環(huán)境的長時間的精準監(jiān)控。如果將整個宇航服比作一個人的機體，那么宇航服當中數(shù)量龐大的傳感器就如同構成機體的一個個細胞，雖然每一個細胞都很微小，但在載人航天的工作當中，任何一個部分出現(xiàn)的瑕疵都有可能造成無法挽回的后果。因此，可靠性高且性能優(yōu)異的傳感器對于載人航天的重要性不言而喻。

3.2 佩戴舒適

宇航服為了滿足宇航員的多方面需求，內部結構十分復雜，一般至少分為5層。其中與人體直接接觸的最內層上，附有大量傳感器，組成了一套復雜的微型檢測系統(tǒng)[11]，負責監(jiān)測宇航服內的溫度以及宇航員的各種生理信號，如體溫、呼吸、脈搏、心率等，內衣層相當于一層時刻監(jiān)視著宇航員動態(tài)的一層保護膜。

為保證宇航員在宇航服當中的舒適程度，作為與人體直接接觸的宇航服內衣層，在進行高靈敏監(jiān)測的同時，也需要滿足輕薄柔軟且透氣性良好等需求。根據(jù)紙基傳感器件質地柔軟且輕薄的特點，可以將其貼附在宇航服的內衣層與人體之間，進行高靈敏的人體信號采集。同時，還可以利用紙基器件形狀適應性強的特點，根據(jù)不同的人體貼附位置，將器件設計成不同的形狀，使器件可以更加靈活地匹配宇航員的活動需求。

現(xiàn)有的大多數(shù)柔性傳感器件為保證器件柔軟的特性，往往采用一些結構致密的有機物作為器件的基底材料，有機物致密的結構導致其制備得到的柔性傳感器件缺乏一定的透氣性，長時間的佩戴可能會導致佩戴者身體的不適。而紙張相比于結構致密的有機物，內部疏松多孔，且孔徑大于氣體的分子直徑，具有良好的透氣性。

同時，紙基傳感器的質量微乎其微，將其貼附于人體的表面，佩戴者幾乎感受不到器件的存在。宇航服質量的增加無疑會增加發(fā)射成本，因此輕量化一直以來也是宇航服研發(fā)的主要目標之一[12]。如果將紙基傳感器大規(guī)模地應用在宇航服的內衣層當中，在實現(xiàn)高性能監(jiān)測的前提下，既可以滿足宇航員的佩戴舒適需求，又在一定程度減小了宇航服的整體質量。

3.3 多功能檢測

多種信號檢測在當今人工智能領域并不少見，Qilin Hua[21]等人通過假手握住一杯水，在假手上貼附柔性傳感器矩陣，進而同時得到水杯的溫度信號和假手的壓力信號，但是該傳感器矩陣必須同時配備5個壓力傳感器和一個溫度傳感器。

而現(xiàn)階段的很多針對紙基傳感器件的研究工作，已經(jīng)使紙基器件具備了同時檢測多種信號的能力，相比于人工智能領域的多信號檢測，紙基傳感器僅通過一個器件就實現(xiàn)了對于外界多信號的感知。陜西科技大學的李志健教授團隊[5]制備得到的多信號感知紙基傳感器通過實驗印證了，器件可以在實際應用當中檢測和識別多種信號的刺激。

如果將這種多信號感知類的紙基傳感器應用在航天員的人體信號監(jiān)測當中，那么與復雜的傳感器矩陣相比，紙基傳感器僅通過一個器件就實現(xiàn)了對多種信號的監(jiān)測，這會有助于簡化宇航服當中的智能監(jiān)測設備，提高宇航服中智能系統(tǒng)的工作效率。

3.4 經(jīng)濟環(huán)保

根據(jù)相關資料顯示，到2030年，全球的傳感器數(shù)量將會突破100萬億個，此類電子裝置的大量生產(chǎn)導致了電子廢棄物的數(shù)量不斷增多，越來越多的國家面臨著嚴峻的電子垃圾環(huán)境問題。根據(jù)2017年聯(lián)合國發(fā)布的報告，2016年全球產(chǎn)生了超過4000萬t電子廢棄物，只有20%被正確回收。如何正確地處理宇航服當中存在的大量傳感器件，也是需要我們進一步關注的問題。

首先在經(jīng)濟方面，相比于傳統(tǒng)的高性能傳感器件，紙基傳感器的制作成本極低，Hanbin liu[3]等人制備得到的紙基應變傳感器的制作成本甚至小于0.001美元，紙基傳感器件的應用會極大程度地降低宇航服的制作成本。

其次在環(huán)保方面，紙的主要成分是植物纖維，具有良好的可降解性。陜西科技大學的李志健教授團隊[5]制備得到的紙基傳感器放置于水中，攪拌一分鐘左右，器件就已經(jīng)分解為了纖維、炭黑和石墨烯顆粒；Hanbin liu[3]等人制備得到的紙基傳感器在潮濕的狀態(tài)下，進行輕微地摩擦，器件很快就實現(xiàn)了降解。紙基傳感器件除了優(yōu)異的傳感性能之外，作為一種基于紙張制備得到的傳感器，器件本身所具備的可降解特性，從電子器件的源頭就避免了電子污染的產(chǎn)生，極大地便利了宇航服的后續(xù)回收過程。

4 總結與展望

柔性傳感技術自提出以來，在電子皮膚[13-16]和可穿戴器件[17-19]等領域都展現(xiàn)出了較大的應用前景，尤其是在人體運動信號監(jiān)測中，柔性傳感器件具有顯著的優(yōu)勢并一直作為學者們研究的熱點。而紙基傳感器作為柔性傳感器件的一種，通過利用紙表面的天然微結構，發(fā)揮紙本身的屬性特點，進而制備得到集低成本、高性能且綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點于一體的柔性穿戴傳感器。

我國載人航天技術的不斷發(fā)展，對未來的航空材料也提出了越來越多的要求，如高性能、多功能、智能化、低成本、環(huán)境相容性等[20]，紙基傳感器所具有的優(yōu)良特性則與這些需求高度匹配。紙基傳感器的諸多優(yōu)點使其在未來載人航天領域具有極為廣闊應用的前景。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.03.004

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