超強(qiáng)韌、可伸縮導(dǎo)電纖維可用于可穿戴的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

纖維材料具有高強(qiáng)度和大拉伸能力，是高性能可穿戴電子設(shè)備的重要組成部分。可穿戴電子系統(tǒng)需要一種堅(jiān)固的材料，以確保耐久性、穩(wěn)定性以及廣泛的應(yīng)變范圍。然而，如何制造出同時(shí)具有較高機(jī)械強(qiáng)度和拉伸性能的纖維材料仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。

據(jù)報(bào)道，西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院院士黃維、教授王學(xué)文和北京理工大學(xué)預(yù)聘教授宋維濤團(tuán)隊(duì)合作，開(kāi)發(fā)了一種新型聚氨酯聚合物（ASC）與碳納米管（CNT）層復(fù)合而成的纖芯，具有較高的應(yīng)變范圍和較高的強(qiáng)度，同時(shí)具有較高的應(yīng)變分辨率和較大的檢測(cè)范圍。此外，其還可以檢測(cè)到0 ～ 40 赫茲的低頻振動(dòng)，涵蓋了人體發(fā)生的大多數(shù)震動(dòng)。因此，將該纖維狀機(jī)械傳感器縫在衣服上，制成智能電子衣服，有望成為評(píng)估人類(lèi)健康的一種新方法。

研究人員介紹，超堅(jiān)固可擴(kuò)展的導(dǎo)電纖維由微纖芯、導(dǎo)電層和外層薄封裝層三層組成。ASC 基團(tuán)之間存在無(wú)序的多重氫鍵，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，如高的拉伸強(qiáng)度和應(yīng)變。CNT 賦予纖維強(qiáng)大的的韌性和彈性，與PDMS、SEBS、TPU 等軟彈性聚合物相比，特殊的線(xiàn)性分子結(jié)構(gòu)和納米纖維微觀結(jié)構(gòu)使導(dǎo)電纖維具有29.8 MPa的強(qiáng)拉伸強(qiáng)度和高至800%的強(qiáng)拉伸能力。

纖維機(jī)械傳感器可承受的應(yīng)變范圍從0.0075%～700%，重量很輕。同時(shí)，該傳感器對(duì)外界刺激的敏感范圍為0～400%，具有較高的靈敏度和重現(xiàn)性、超高的檢測(cè)限和分辨率，是目前報(bào)道的精度最高的纖維型柔性應(yīng)變傳感器之一。此外，該傳感器顯示了超高的機(jī)械和電氣穩(wěn)定性，在應(yīng)變?yōu)?00%的情況下，可以承受1萬(wàn)赫茲的循環(huán)拉伸試驗(yàn)，電阻退化率僅為11.5%。

對(duì)身體震顫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是早期篩查和診斷疾病的有效途徑，但只有微弱的振動(dòng)信號(hào)才能傳輸?shù)饺梭w皮膚表面，這使得其很難被檢測(cè)到。該傳感器可以檢測(cè)到頻率＜ 40 赫茲的低頻弱振動(dòng)，還可以測(cè)量各種頻率的阻尼振動(dòng)，表明其具有良好的振動(dòng)檢測(cè)性能，在檢測(cè)肌肉運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)方面表現(xiàn)良好，可以用來(lái)預(yù)測(cè)肌肉的耐力狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)量。

進(jìn)而，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)可穿戴的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以用來(lái)檢測(cè)手腕脈搏和呼吸。纖維機(jī)械傳感器可以附著在人體的不同位置，采集生理信號(hào)和特征信號(hào)，如眨眼、跳躍、手指彎曲、喉嚨振動(dòng)等，還可以監(jiān)測(cè)人體姿態(tài)，如跑、走、跳、坐、爬樓梯、跌倒等，收集到的生理信號(hào)可用于預(yù)測(cè)和診斷疾病。此外，該傳感器還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)身體姿勢(shì)的準(zhǔn)確性和協(xié)調(diào)性的預(yù)測(cè)，總準(zhǔn)確率為92.7%，在跟蹤身體協(xié)調(diào)性方面有一定的應(yīng)用前景。