智能可穿戴柔性可拉伸應(yīng)變傳感器的研究進(jìn)展

周珍卉，包肖婧，范強(qiáng)，劉旭華，苗錦雷，曲麗君

(1.青島大學(xué)紡織服裝學(xué)院，山東青島 266071；2.青島市纖維紡織品檢驗(yàn)研究院，山東青島 266071)

0 前言

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，人們對日常生活中的各種設(shè)備提出了新的應(yīng)用要求。柔性可穿戴電子產(chǎn)品因其在可穿戴設(shè)備[1]、電子皮膚[2－3]、壓力傳感器[4－5]、觸摸屏[6－7]、人體運(yùn)動監(jiān)測傳感器[8－9]和能源[10－12]等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而引起了人們的極大關(guān)注。 其中能夠進(jìn)行信號監(jiān)測的柔性可拉伸應(yīng)變傳感器在智能可穿戴領(lǐng)域占據(jù)著重要的地位[13]，其在人體運(yùn)動監(jiān)測[14]、健康監(jiān)測[15－17]、人機(jī)交互[18－19]、柔體機(jī)器人[20－21]、可穿戴電子設(shè)備[22－23]和電子皮膚[24－25]等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。

與傳統(tǒng)的具備較大剛性和脆性的硅基傳感器相比，柔性可拉伸應(yīng)變傳感器因?yàn)槠淞己玫膹椥院腿嵝裕軌蛟谇嫔嫌行У夭东@高質(zhì)量的機(jī)械信號并將其轉(zhuǎn)化為電信號，從而使柔性可拉伸應(yīng)變傳感器具備良好的傳感性能[26－27]。 目前的柔性可拉伸應(yīng)變傳感器通常由彈性基底與導(dǎo)電材料復(fù)合而成。目前通常將聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(PU)、Ecoflex 等彈性聚合物或具備良好彈性的織物作為彈性基底[28－30]。 彈性薄膜和彈性織物具有優(yōu)良的拉伸性能，可以使柔性可拉伸應(yīng)變傳感器在大范圍應(yīng)變內(nèi)對信號進(jìn)行監(jiān)測。 目前通常將導(dǎo)電聚合物、碳納米管、石墨烯、金屬納米線和過渡金屬碳化物/氮化物(MXene)中的一種或幾種組合作為導(dǎo)電材料構(gòu)建導(dǎo)電層[31－35]。 導(dǎo)電聚合物和導(dǎo)電納米材料具備良好的柔性和導(dǎo)電性，以其作為導(dǎo)電層制備的柔性可拉伸應(yīng)變傳感器可以具備良好的柔性和更高的靈敏度。 彈性基底使柔性可拉伸應(yīng)變傳感器具備良好的可拉伸性和柔性，從而在曲面上捕捉信號并且適應(yīng)多種的彎曲動作。 導(dǎo)電材料構(gòu)建的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)使應(yīng)變具備一定的導(dǎo)電性和靈敏度，當(dāng)應(yīng)變傳感器受到信號刺激時(shí)基底產(chǎn)生應(yīng)變并且其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)電材料之間的位置會發(fā)生變化，柔性可拉伸應(yīng)變傳感器電阻會發(fā)生變化，從而使柔性可拉伸應(yīng)變傳感器具備傳感性能，能夠?qū)Υ碳ば盘栠M(jìn)行有效響應(yīng)[36－37]。

本文根據(jù)柔性可拉伸應(yīng)變傳感器彈性基底和導(dǎo)電材料的不同，系統(tǒng)地總結(jié)了柔性可拉伸應(yīng)變傳感器的制備、性能及應(yīng)用，并且探討了柔性可拉伸應(yīng)變傳感器的潛在使用場景和未來發(fā)展方向。

1 基于碳納米材料的柔性應(yīng)變傳感器

碳納米材料是制造高性能拉伸應(yīng)變傳感器最廣泛使用的材料。 與其他導(dǎo)電材料相比，碳納米材料具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、較高的化學(xué)和熱穩(wěn)定性、優(yōu)異的機(jī)械性能和易于使用的功能性碳納米材料。其中包括炭黑、碳納米管、石墨烯，這些碳納米材料在柔性應(yīng)變傳感器領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

1.1 碳納米材料薄膜基柔性應(yīng)變傳感器

碳納米管是由碳原子形成的管狀分子，可視為石墨烯以一定角度卷曲形成的管狀結(jié)構(gòu)。 碳納米管具有優(yōu)良的機(jī)械性能、優(yōu)良的導(dǎo)電性、高的光學(xué)透明度和強(qiáng)的熱穩(wěn)定性[31]。 Chen 等人采用了一種噴霧沉積和轉(zhuǎn)移方法將超薄碳納米管層嵌入兩個(gè)PDMS 基板中。 該傳感器具有優(yōu)異的拉伸性、良好的光學(xué)透明度和優(yōu)異的傳感性能，可以同時(shí)檢測大小應(yīng)變，并具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和重復(fù)性[38]。 Lee等人提出了一種基于碳納米管重疊的應(yīng)變傳感器，通過重疊碳納米管的滑動和斷裂，應(yīng)變傳感器具有超過145%應(yīng)變的傳感范圍，具有出色的靈敏度、優(yōu)異的重復(fù)性和耐用性。 該傳感器具有新穎的結(jié)構(gòu)和機(jī)制，可以高靈敏度地檢測各種應(yīng)變[39]。 石墨烯是一種理想的二維結(jié)構(gòu)材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和斷裂應(yīng)變。 此外，它還具有良好的光學(xué)性能和獨(dú)特的電學(xué)性能，非常適合用作可拉伸應(yīng)變傳感器的導(dǎo)電材料。 Wu 等人報(bào)道了一種由垂直石墨烯納米片和夾在PDMS 基板之間的迷宮狀網(wǎng)絡(luò)組成的新型應(yīng)變傳感器。 該傳感器可以達(dá)到120%的高拉伸，在整個(gè)檢測范圍內(nèi)具有出色的線性度和高靈敏度。 該傳感器還可以進(jìn)行人體運(yùn)動檢測和壓力分布測量[40]。 Tao 等人提出了一種具有自適應(yīng)和可調(diào)性能的激光圖案化石墨烯應(yīng)變傳感器。 傳感器可以滿足細(xì)微和大運(yùn)動情況下的各種監(jiān)測需求，在可穿戴電子設(shè)備、健康監(jiān)測和智能機(jī)器人等應(yīng)用中顯示出巨大潛力[41]。 將碳納米材料與彈性基板結(jié)合制備柔性可拉伸應(yīng)變傳感器，具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和良好的導(dǎo)電性，可用于人體運(yùn)動檢測，潛力巨大。

1.2 碳納米材料紡織基柔性應(yīng)變傳感器

近年來，隨著智能穿戴設(shè)備的不斷發(fā)展，除了保證優(yōu)良的彈性和高強(qiáng)度外，對透氣性和親膚性也提出了要求。 Yang 等人采用“浸干”法在針織棉織物表面包覆單層碳納米管制備導(dǎo)電棉織物。 該應(yīng)變傳感器具有工作應(yīng)變范圍大、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，該應(yīng)變傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測人體運(yùn)動[42]。 Lee 等人使用尼龍織物采用真空輔助逐層噴涂技術(shù)，將單壁碳納米管均勻涂覆在紡織纖維表面。 此傳感器表現(xiàn)出高靈敏度、快速響應(yīng)和出色的耐用性。 此傳感器可以很容易地與衣服集成，為高性能可穿戴應(yīng)變傳感器的制造開辟了新機(jī)遇[43]。Zheng 等人經(jīng)過多次浸漬工藝將石墨烯納米片沉積在棉織物上，然后用PDMS 封裝織物，制備了棉織物應(yīng)變傳感器。 此應(yīng)變傳感器具有出色的可重復(fù)性、耐用性和檢測極低應(yīng)變[44]。 Yang 等人基于無聚合物封裝的石墨烯織物制造了一種貼合耐磨的石墨烯織物應(yīng)變傳感器。 該傳感器還具有高靈敏度、長期穩(wěn)定性和極佳的舒適性。 石墨烯織物應(yīng)變傳感器可以編織在衣服上，用于檢測關(guān)節(jié)彎曲、面部表情、脈搏監(jiān)測和手寫識別[45]。 導(dǎo)電層由碳納米管、石墨烯等碳納米材料制成，具有良好的導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和耐久性。 由碳納米材料與織物復(fù)合制備的拉伸應(yīng)變傳感器既具有良好的柔性和透氣性，又可以檢測人體的細(xì)微活動和人體運(yùn)動，在智能可穿戴方面具有很好的應(yīng)用前景。

2 基于金屬納米材料的柔性應(yīng)變傳感器

與碳納米材料相比，一維金屬納米線包括銀納米線、銅納米線和金納米線，由于其優(yōu)異的導(dǎo)電性在作為電子器件導(dǎo)電填料上有巨大潛力。 在所有金屬納米線中，銀納米線(AgNWs)具有較好的電導(dǎo)率(6.3×107S/cm－1)、熱導(dǎo)率和化學(xué)穩(wěn)定性。

2.1 金屬納米材料薄膜基柔性應(yīng)變傳感器

將金屬納米線與彈性薄膜基板結(jié)合制備柔性可拉伸應(yīng)變傳感器，這種可拉伸的應(yīng)變傳感器可用于人體運(yùn)動檢測，潛力巨大。 Liao 等人使用AgNWs＠圖案化PDMS 研發(fā)微裂紋輔助應(yīng)變傳感器。 通過設(shè)計(jì)的滲流網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)，應(yīng)變傳感器具有制備簡單、靈敏度超高、出色的傳感性能和出色的拉伸性、低蠕變、可逆性好和超高穩(wěn)定性。 應(yīng)變傳感器可用作可穿戴顯示器和電子皮膚，可用于人體運(yùn)動的全方位檢測[46]。 Yin 等人將AgNWs 的有序陣列結(jié)構(gòu)通過簡單的水浴拉法組裝在一起嵌入PDMS。 該傳感器對動作捕捉和人體信號具有嚴(yán)格、穩(wěn)定和可靠的響應(yīng)。 它還可以幫助監(jiān)測殘疾人的身體狀況并且協(xié)助醫(yī)療，同時(shí)可以確保隱私保護(hù)[47]。

2.2 金屬納米材料紡織基柔性應(yīng)變傳感器

將金屬納米線與織物基底復(fù)合制備柔性可拉伸應(yīng)變傳感器，可以將金屬納米材料的高導(dǎo)電性與織物基板的透氣性和舒適性相結(jié)合。 這種可伸縮的應(yīng)變傳感器可用于人體運(yùn)動檢測，在智能可穿戴領(lǐng)域具有巨大潛力。 Chen 等人使用由多層PU 纖維編織而成的纖維織物制備多功能電子織物。 所制備的電子紡織品具有高導(dǎo)電性、高拉伸性、高靈敏度和高耐久的優(yōu)點(diǎn)。 此多功能電子織物在綜合檢測和醫(yī)療保健領(lǐng)域也具有巨大潛力[48]。 Luo 等人通過將銀納米線油墨轉(zhuǎn)移到可拉伸紡織品上，通過一步絲網(wǎng)印刷方法制造了一種高性能的紡織品基應(yīng)變傳感器。 通過設(shè)計(jì)各種圖案的篩板，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同感應(yīng)范圍和靈敏度的優(yōu)化。 該傳感器在120%的應(yīng)變范圍內(nèi)靈敏度為216，并且具有出色的耐久性[49]。 金屬納米材料因其高導(dǎo)電性和柔韌性已顯示出作為柔性可拉伸應(yīng)變傳感器的前景，可用于智能可穿戴設(shè)備以檢測人體運(yùn)動。

3 基于導(dǎo)電聚合物的柔性應(yīng)變傳感器

導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料是理想的傳感材料，尤其適用于可穿戴傳感應(yīng)用，具有模量低、重量輕、柔韌性好、加工方便、耐機(jī)械變形、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。 基于導(dǎo)電聚合物的高性能智能柔性應(yīng)變傳感器應(yīng)用于人體運(yùn)動檢測、健康監(jiān)測、軟體機(jī)器人皮膚和人機(jī)交互等領(lǐng)域。 在智能可穿戴領(lǐng)域具有巨大潛力。

3.1 導(dǎo)電聚合物薄膜基柔性應(yīng)變傳感器

將導(dǎo)電聚合物與彈性基材結(jié)合可以將導(dǎo)電聚合物的柔韌性和抗機(jī)械變形能力與彈性聚合物的高拉伸應(yīng)變的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，在人體運(yùn)動檢測、電子皮膚、人機(jī)交互等方面具有廣闊的前景。 Lipomi等 人 用 紫 外 光/臭 氧 處 理 PDMS 表 面， 并 在PEDOT:PSS 溶液中添加表面活性劑以產(chǎn)生彈性膜。 該應(yīng)變傳感器能達(dá)到0～188%的高應(yīng)變范圍。這種導(dǎo)電薄膜可用作拉伸傳感器在智能可穿戴設(shè)備領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[50]。 Zhu 等人介紹了一種一步光刻技術(shù)來圖案化PEDOT:PSS 薄膜制備了一種混合薄膜結(jié)構(gòu)。 該薄膜具有出色的長期濕穩(wěn)定性和光刻分辨率。 當(dāng)這種穩(wěn)定的混合薄膜在新興的柔性和可穿戴電子應(yīng)用中存在巨大的潛力[51]。 該導(dǎo)電聚合物與彈性基板結(jié)合制備的應(yīng)變傳感器具有高應(yīng)變拉伸范圍和高靈敏度，具有廣泛的應(yīng)用前景。

3.2 導(dǎo)電聚合物紡織基柔性應(yīng)變傳感器

通過將導(dǎo)電聚合物與織物彈性基材結(jié)合制備的應(yīng)變傳感器將導(dǎo)電聚合物的低模量和高導(dǎo)電性與織物的舒適性和透氣性相結(jié)合。 Seyedin 等人首次制備了具備導(dǎo)電和高拉伸的PU/PEDOT:PSS 纖維。 該纖維具有適合織造各種紡織結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能，此應(yīng)變傳感器已應(yīng)用在膝套中用于個(gè)人訓(xùn)練和受傷后的康復(fù)[52]。 Jia 等人提出了一種通過氣相聚合制造涂有PEDOT 的高導(dǎo)電商業(yè)紡織品作為可穿戴熱電應(yīng)變傳感器。 該紡織品表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械彈性和電氣性能。 此外，制造的PEDOT 涂層紡織品表現(xiàn)出優(yōu)異的耐水性。 該應(yīng)變傳感器的最佳靈敏度在1.5%的應(yīng)變下可達(dá)到54，能夠完全滿足可穿戴電子傳感器設(shè)備的需求[53]。 將導(dǎo)電聚合物與織物基材結(jié)合制備的應(yīng)變傳感器具有導(dǎo)電性高、靈敏度高、舒適性好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于智能可穿戴領(lǐng)域。

4 基于混合導(dǎo)電材料的柔性應(yīng)變傳感器

通常，應(yīng)變傳感器由彈性體或織物基板和導(dǎo)電材料組成，例如微米或納米金屬納米粒子、納米線、碳納米材料、導(dǎo)電聚合物和MXene。 對于應(yīng)變傳感，研究界認(rèn)為應(yīng)變靈敏度、傳感應(yīng)變范圍、線性度、滯后和響應(yīng)時(shí)間等參數(shù)很重要。 研究人員將兩種或兩種以上的導(dǎo)電材料組合在一起，制備出具有更好傳感性能的應(yīng)變傳感器。

4.1 混合導(dǎo)電材料薄膜基柔性應(yīng)變傳感器

作為一個(gè)集成高靈敏度和可拉伸的應(yīng)變傳感器，用于監(jiān)測各種日?；顒樱缣S、跑步、心跳和脈搏。 目前，應(yīng)變傳感器中單一導(dǎo)電材料的使用限制了應(yīng)變傳感器的應(yīng)變檢測范圍和靈敏度，結(jié)合多種導(dǎo)電材料的應(yīng)變傳感器可以大大緩解這種限制。Li 等人提出了一種通過耦合AgNWs 和還原氧化石墨烯(rGO)來制造基于電紡熱塑性聚氨酯(TPU)墊的柔性應(yīng)變傳感器，該應(yīng)變傳感器分別表現(xiàn)出高應(yīng)變靈敏度和寬工作范圍。 此傳感器在應(yīng)變靈敏度和傳感范圍方面表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)，混合納米材料的傳感器具有超高靈敏度和更寬的檢測范圍。 這種應(yīng)變傳感器用于監(jiān)測人體運(yùn)動，在醫(yī)療保健和人機(jī)界面應(yīng)用中的潛力[54]。 Zhou 等人結(jié)合3D 混合導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)石墨烯納米板/羧基功能化多壁碳納米管/硅橡膠(GNPs/MWCNTs/SR)的協(xié)同效應(yīng)，創(chuàng)建了具有高靈敏度的蛇形傳感層。 其具有可擴(kuò)展性、超低檢測限、出色的動態(tài)響應(yīng)特性、快速響應(yīng)時(shí)間和出色的耐用性。 該柔性應(yīng)變傳感器有望成為實(shí)時(shí)和高精度人體運(yùn)動檢測、先進(jìn)人機(jī)界面和智能機(jī)器人等可穿戴應(yīng)用的潛在候選者[55]。 使用混合導(dǎo)電材料在彈性薄膜基底上所制備的應(yīng)變傳感器具有靈敏度高、拉伸應(yīng)變范圍大、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，可用于智能穿戴領(lǐng)域的人體運(yùn)動監(jiān)測、電子皮膚、人機(jī)交互等，具有巨大的應(yīng)用潛力。

4.2 混合導(dǎo)電材料紡織基柔性應(yīng)變傳感器

目前，應(yīng)變傳感器的制備方法主要是將碳納米材料、金屬納米材料、導(dǎo)電聚合物、MXenes 及其組合產(chǎn)品等材料浸漬或負(fù)載在彈性基板上，以獲得高靈敏度特性。 用織物基板替代傳統(tǒng)彈性基板可以提高應(yīng)變傳感器的舒適性，提高其在智能可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用。 Lee 等人使用一種溶液處理的噴霧輔助涂層方法，可以在大面積織物上形成均勻的涂層，從而制造出一種基于商用的高耐用的紡織品柔性應(yīng)變傳感器。 所制備的傳感器能夠準(zhǔn)確地檢測出應(yīng)變的大小，從而對人體的各種運(yùn)動做出良好的響應(yīng)[56]。 Han 等人創(chuàng)造性地將AgNP 負(fù)載在MXene 納米片上與AgNWs 復(fù)合，這種方法提高了傳統(tǒng)一維材料的彈性和導(dǎo)電性。 其中，AgNP 在AgNW 和MXene 之間架起了一座橋梁，即使在較大的紗線應(yīng)變(200%)下也能保證連續(xù)性和高規(guī)格系數(shù)。 復(fù)合紗線應(yīng)變傳感器具有非常高的應(yīng)變和靈敏度，能夠有效監(jiān)測人體各部位的尺寸和變形，可以應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備、人工皮膚等可穿戴領(lǐng)域。 以織物為基材制備的應(yīng)變傳感器具有傳統(tǒng)應(yīng)變傳感器的特點(diǎn)，具有良好的透氣性和舒適性。 該應(yīng)變傳感器可用于智能穿戴領(lǐng)域的人體運(yùn)動監(jiān)測，具有廣泛的應(yīng)用前景。

5 結(jié)論

將碳納米材料、金屬納米材料、導(dǎo)電聚合物、MXene 及其組合產(chǎn)品中的一種或多種材料復(fù)合，然后浸漬或負(fù)載在彈性薄膜或彈性織物上，制備出柔性可拉伸應(yīng)變傳感器，具有拉伸應(yīng)變范圍大、靈敏度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性高、耐久性高等優(yōu)點(diǎn)。 它可用于智能穿戴領(lǐng)域，監(jiān)測各種日常活動，包括大范圍和小范圍的應(yīng)變，如跳躍、跑步、心跳和脈搏。此外，還可應(yīng)用于電子皮膚、人機(jī)交互、智能機(jī)器人等領(lǐng)域，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。