面向人體運(yùn)動(dòng)檢測的水凝膠基柔性應(yīng)變傳感器設(shè)計(jì)

張冬至， 邵佳慧， 劉希臣， 周蘭娟， 陳 璨

（中國石油大學(xué)（華東）控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266580）

0 引 言

近年來，柔性器件與可穿戴電子設(shè)備越來越受到關(guān)注，使得柔性傳感器有了更多的應(yīng)用潛力［1-3］。柔性傳感器因能用于可穿戴器件和人體生理信號(hào)監(jiān)測而逐漸成為研究熱點(diǎn)［4］。然而，傳統(tǒng)的應(yīng)變傳感器通常存在拉伸性能差、導(dǎo)電填料和彈性體之間相容性差等問題，導(dǎo)致與其相關(guān)的設(shè)備體積大、質(zhì)量大、應(yīng)用場合有限，無法兼顧便攜和靈活的要求［5］，因此開發(fā)具有高拉伸性能、高靈敏度、良好穩(wěn)定性的柔性應(yīng)變傳感器具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

柔性應(yīng)變傳感器主要是由活性材料及柔性基底或者基質(zhì)構(gòu)成，常見的可彎曲柔性基底材料包括聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酰胺（PAM）、聚酯（PET）、聚酰亞胺（PI）等［6］。在使用柔性應(yīng)變傳感器時(shí)將其穩(wěn)固地貼在被測試件表面上［7］，試件受力發(fā)生形變時(shí)傳感器內(nèi)敏感材料發(fā)生相應(yīng)形變，電阻隨之發(fā)生變化?；陔娮枧c應(yīng)變之間的數(shù)量關(guān)系，可以得到被測試件應(yīng)變量［8］。柔性傳感器能夠把不同的外界刺激轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，通過模仿人體皮膚的感官功能來感知外界物理量變化［9］。

水凝膠是一種極為親水的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)凝膠，在水凝膠中加入導(dǎo)電物質(zhì)可使水凝膠具有良好的導(dǎo)電性，滿足應(yīng)變傳感材料的要求［10-12］。水凝膠具有生物相容性好、可拉伸性好、與人體軟組織結(jié)構(gòu)相似等特點(diǎn)［13-14］，因此常被用作可穿戴傳感器的理想基體材料。采用聚丙烯酰胺、纖維素納米晶（CNCs）、單寧酸（TA）構(gòu)建了一種具有高拉伸性能、低能量耗散以及響應(yīng)速度快、重復(fù)穩(wěn)定性良好的導(dǎo)電水凝膠基柔性應(yīng)變傳感器，研究了其拉伸應(yīng)變和電學(xué)性能之間的關(guān)系以及該傳感器在人體運(yùn)動(dòng)中大應(yīng)變與小應(yīng)變信號(hào)檢測的響應(yīng)性能。

1 實(shí)驗(yàn)材料與傳感器制備

1.1 材料選擇

實(shí)驗(yàn)材料主要包括聚丙烯酰胺、纖維素納米晶、單寧酸等。聚丙烯酰胺是一種由丙烯酰胺為原料合成的均聚物，無毒、鏈長，具有自愈合、導(dǎo)電、抗凍和增韌等性能。纖維素納米晶具有高拉伸強(qiáng)度、高彈性模量、高生物相容性和高反應(yīng)性，可作為水凝膠的增強(qiáng)填料。單寧酸富含鄰苯三酚、兒茶酚基團(tuán)和酚羥基，有利于水凝膠機(jī)械性能、自愈性能、黏附性能的改善。

1.2 傳感器制備

采用纖維素納米晶、丙烯酰胺、單寧酸制備納米復(fù)合水凝膠的過程如圖1 所示。

圖1 復(fù)合水凝膠制備過程

將2.86 g 纖維素納米晶加入40 mL 去離子水中電磁攪拌6 h后，得到纖維素納米晶懸浮液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%）。取10 mL纖維素納米晶溶液，在磁力攪拌下加入2.5 g 丙烯酰胺、60 mg 硫酸銨和120 μL N，N，N′，N′-四亞甲基乙二胺（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0. 1%），攪拌15 min使引發(fā)劑溶解，隨后加入單寧酸攪拌20 min 以產(chǎn)生均勻的溶液。在0 ℃冰水浴下加入20 μL四甲基乙二胺溶液，攪拌15 min 后在60 ℃干燥箱中加熱3 h，得到所需的水凝膠基敏感材料。

1.3 實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)搭建

為了檢測聚丙烯酰胺-纖維素納米晶-單寧酸導(dǎo)電水凝膠基柔性應(yīng)變傳感器的機(jī)械、電學(xué)性能，搭建了測試平臺(tái)，如圖2 所示。通過拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)應(yīng)變范圍、拉伸速率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。采用Keysight 34470A 阻抗分析儀進(jìn)行傳感器電阻數(shù)據(jù)采集，可對(duì)采樣點(diǎn)數(shù)、采樣頻率、保持時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

圖2 柔性應(yīng)變傳感器測試平臺(tái)

2 結(jié)果分析與討論

2.1 柔性應(yīng)變傳感器性能測試

采用拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行柔性應(yīng)變傳感器的機(jī)械性能測試。水凝膠樣品為長4 mm、寬17 mm、厚3 mm的矩形切片，實(shí)驗(yàn)中拉伸速率為80 mm/min。拉伸斷裂測試是在承受軸向拉伸載荷下測定材料特性的實(shí)驗(yàn)方法，如圖3（a）所示。所制作的水凝膠在2 900%的應(yīng)變下才發(fā)生斷裂，表明其具有較優(yōu)異的拉伸性能。

圖3 柔性應(yīng)變傳感器的機(jī)械性能測試結(jié)果

滯回曲線是指受到外力作用時(shí)的應(yīng)變-應(yīng)力曲線，水凝膠滯回曲線如圖3（b）所示。通常采用加載和卸載曲線之間形成的應(yīng)力-應(yīng)變曲線面積來評(píng)價(jià)變形過程中的能量損失。由圖3（c）可見，水凝膠在加載-卸載的第1 次循環(huán)擁有最大的能量耗散，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，能量耗散逐漸減少，能量耗散源于纖維素納米晶表面與聚丙烯酰胺之間氫鍵的解離。在低應(yīng)變（≤100%）的連續(xù)加載和卸載周期中，沒有明顯的滯后，最大的損失能量僅為3.88 kJ/m3，最小低至2.87kJ/m3，表明該水凝膠網(wǎng)絡(luò)沒有永久性損傷，水凝膠保持彈性。圖3（d）為水凝膠在受到不同外力作用時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，測試時(shí)拉伸長度分別為試件初始長度的100%、200%、300%、400%、500%，水凝膠經(jīng)拉伸后可恢復(fù)其初始狀態(tài)。通過數(shù)據(jù)采集儀獲取傳感器電阻信號(hào)，由電阻相對(duì)變化（ΔR/R0）反映傳感器應(yīng)變靈敏度，定義傳感器應(yīng)變因子為

式中：ΔR為柔性應(yīng)變傳感器電阻變化；R0為柔性應(yīng)變傳感器未發(fā)生應(yīng)變時(shí)的初始電阻；ΔL為柔性應(yīng)變傳感器拉伸相對(duì)變化量。

靈敏度是衡量傳感器性能的一個(gè)重要指標(biāo)，該傳感器的靈敏度測試結(jié)果如圖4（a）所示。應(yīng)變響應(yīng)可以分為2 個(gè)區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域內(nèi)柔性應(yīng)變傳感器對(duì)應(yīng)變的響應(yīng)呈現(xiàn)線性增加并為正斜率，表明具有良好的傳感特性，可以通過電阻的相對(duì)變化反映應(yīng)變大小。如圖4（b）所示，在150%拉伸應(yīng)變下，柔性應(yīng)變傳感器響應(yīng)時(shí)間為280 ms，恢復(fù)時(shí)間為320 ms，具有響應(yīng)、恢復(fù)時(shí)間快的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)柔性應(yīng)變傳感器進(jìn)行拉伸測試，拉伸速率分別為30、60、90、120 mm/min，結(jié)果如圖4（c）所示。在相同應(yīng)變不同拉伸速率下，ΔR/R0基本穩(wěn)定且可重復(fù)，表明該柔性應(yīng)變傳感器具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和重復(fù)性。

圖4 柔性應(yīng)變傳感器電學(xué)性能測試

在小應(yīng)變1%、2%、3%、4%和大應(yīng)變100%、200%、300%、400%下對(duì)水凝膠進(jìn)行加載-卸載重復(fù)實(shí)驗(yàn)，測試結(jié)果如圖5 所示。柔性應(yīng)變傳感器可跟蹤大范圍應(yīng)變變化，而且重復(fù)性良好。對(duì)傳感器在50%應(yīng)變下進(jìn)行了320 次加載-卸載連續(xù)循環(huán)測試，結(jié)果如圖6（a）所示。結(jié)果表明，柔性應(yīng)變傳感器的相對(duì)電阻幾乎沒有明顯變動(dòng)。將水凝膠放置10 d 后的連續(xù)循環(huán)測試結(jié)果如圖6（b）所示，相對(duì)電阻信號(hào)變化穩(wěn)定，表明該傳感器具有良好的電學(xué)穩(wěn)定性。

圖5 柔性應(yīng)變傳感器不同應(yīng)變下相對(duì)電阻變化

圖6 柔性應(yīng)變傳感器重復(fù)穩(wěn)定性測試

2.2 柔性應(yīng)變傳感器對(duì)人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)的檢測

水凝膠能夠很好地附著在人體的不同部位，用于檢測不同肌肉運(yùn)動(dòng)時(shí)的應(yīng)變差異。水凝膠電阻隨著其拉伸變形的增加而增加。由于聚丙烯酰胺-纖維素納米晶-單寧酸水凝膠具有強(qiáng)附著力，所制備的柔性應(yīng)變傳感器可以直接應(yīng)用于手指關(guān)節(jié)、手腕、喉部等處，因此研究了該柔性應(yīng)變傳感器對(duì)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)大應(yīng)變的響應(yīng)。將傳感器貼附在手指第2 個(gè)關(guān)節(jié)處，當(dāng)手指彎曲時(shí)，柔性應(yīng)變傳感器感應(yīng)到手指關(guān)節(jié)的拉伸，導(dǎo)致阻力增加。測試了手指彎曲角度呈0°、30°、60°、90°階梯狀變化時(shí)柔性應(yīng)變傳感器的相對(duì)電阻響應(yīng)情況，如圖7（a）所示。傳感器的相對(duì)電阻有明顯的階梯變化，并且隨著手指彎曲角度的變化呈現(xiàn)一定的線性度。將柔性應(yīng)變傳感器貼附在志愿者手腕處，將手腕從水平狀態(tài)緩慢變成彎曲狀態(tài)。從圖7（b）可以看出，柔性應(yīng)變傳感器對(duì)該活動(dòng)進(jìn)行了快速、穩(wěn)定的響應(yīng)，不僅可以產(chǎn)生三角波形，還可以產(chǎn)生方波波形。將柔性應(yīng)變傳感器貼附在志愿者手肘處，志愿者以不同幅度晃動(dòng)手臂。從圖7（c）可以看出，在相同的彎曲角度下ΔR/R0值變化幅度很小，而當(dāng)彎曲角度增大時(shí)，ΔR/R0值相應(yīng)增大。柔性應(yīng)變傳感器可以連續(xù)檢測不同幅度的手臂擺動(dòng)，具有良好的穩(wěn)定性。在志愿者膝蓋處貼附柔性應(yīng)變傳感器，志愿者分別以不同幅度彎曲小腿。如圖7（d）所示，所有的信號(hào)都是周期性的、可重復(fù)的，ΔR/R0的輸出與膝蓋的重復(fù)運(yùn)動(dòng)完全同步，具有實(shí)時(shí)跟蹤檢測的能力。

圖7 柔性應(yīng)變傳感器對(duì)人體運(yùn)動(dòng)大應(yīng)變信號(hào)的檢測

此外，還研究了柔性應(yīng)變傳感器對(duì)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)小應(yīng)變的響應(yīng)，如圖8 所示。

圖8 柔性應(yīng)變傳感器對(duì)人體運(yùn)動(dòng)小應(yīng)變信號(hào)的檢測

將該傳感器貼附在志愿者手指第2 個(gè)關(guān)節(jié)處，進(jìn)行點(diǎn)擊鼠標(biāo)的操作，如圖8（a）所示。在點(diǎn)擊鼠標(biāo)的一刻，傳感器的相對(duì)電阻立刻上升，放松手指后又恢復(fù)至初始值，經(jīng)過多次相同程度的彎曲后，輸出數(shù)值也比較穩(wěn)定，進(jìn)一步表明該傳感器的穩(wěn)定性較好。將柔性應(yīng)變傳感器附著在喉部，進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)時(shí)不同部位微小形變的檢測。如圖8（b）所示，當(dāng)志愿者連續(xù)吞咽水時(shí)，傳感器可以準(zhǔn)確、重復(fù)地輸出ΔR/R0信號(hào)。吞咽時(shí)喉部肌肉壓縮，導(dǎo)致貼附于其上的水凝膠也相應(yīng)壓縮，電阻響應(yīng)輸出負(fù)值，可利用ΔR/R0信號(hào)的正負(fù)值來反映喉部肌肉的變化。各種單詞的發(fā)音可以通過柔性應(yīng)變傳感器響應(yīng)的波形來區(qū)分，如圖8（c）所示，記錄了志愿者朗讀“Hello”和“How are you”時(shí)的特征曲線，其中“Hello”的發(fā)音為雙峰，“How are you”的發(fā)音出現(xiàn)3 個(gè)峰，因?yàn)椤癏ello”是雙音節(jié)，“How are you”由3 個(gè)單音節(jié)組成。結(jié)果表明，所制備的柔性應(yīng)變傳感器可以感知細(xì)微運(yùn)動(dòng)，具有優(yōu)異的應(yīng)變敏感性和出色的導(dǎo)電穩(wěn)定性，為可穿戴設(shè)備人體運(yùn)動(dòng)檢測提供了更多的可能性。

3 結(jié) 語

隨著可穿戴設(shè)備、電子皮膚等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，研究人員努力開發(fā)更多的柔性電子設(shè)備。制作了基于聚丙烯酰胺/纖維素納米晶/單寧酸的導(dǎo)電水凝膠基柔性應(yīng)變傳感器，并開展了面向人體運(yùn)動(dòng)檢測的實(shí)驗(yàn)，對(duì)傳感器的性能進(jìn)行了分析。利用水凝膠的黏附性，將其直接貼附于皮膚，對(duì)手肘、膝蓋、手腕等關(guān)節(jié)彎曲的大應(yīng)變以及喉部吞咽、聲帶發(fā)聲的小應(yīng)變進(jìn)行測試，驗(yàn)證了所制備水凝膠基柔性應(yīng)變傳感器在面向人體運(yùn)動(dòng)檢測時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性。