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浙理工張兆發(fā)/田偉 AFM：適用于多場(chǎng)景的可多維度集成式可穿戴紗線傳感器
2024-11-06  來(lái)源：高分子科技

  可穿戴傳感器可以充當(dāng)人機(jī)交互之間的橋梁？纱┐鱾鞲衅鞯倪M(jìn)步為人工智能應(yīng)用的開(kāi)發(fā)和增強(qiáng)做出了重大貢獻(xiàn)。在這些可穿戴傳感器中，基于紗線和織物的傳感器因其高柔韌性、透氣性、舒適性和獨(dú)特的耐磨性而受到廣泛關(guān)注。然而，當(dāng)前基于紗線的傳感器主要用作應(yīng)變、壓力或溫度傳感器的一種類型。這些1D傳感器僅能夠響應(yīng)單個(gè)外部刺激，故被歸類為單信號(hào)傳感器。因此，現(xiàn)有的1D傳感器無(wú)法識(shí)別和表達(dá)來(lái)自外部刺激的多個(gè)信號(hào)，并迫切需要構(gòu)建可用于多場(chǎng)景的功能性可穿戴紗線傳感器。


  為了解決1D導(dǎo)電紗的單一傳感特性和環(huán)境不耐受的問(wèn)題，浙江理工研究團(tuán)隊(duì)利用仿生策略和協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)，創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了石墨烯在聚酰亞胺紗線基材上高效層層負(fù)載，并制備了一種具有分層導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)功能性導(dǎo)電線。所制備的還原氧化石墨烯-聚酰亞胺復(fù)合紗線（rGO-PYs）不僅表現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)電性。還被用于構(gòu)建多場(chǎng)景應(yīng)用的功能性和多維傳感器，以實(shí)現(xiàn)多種機(jī)械刺激的實(shí)時(shí)檢測(cè)。rGO-PYs表現(xiàn)出較寬的彎曲和壓力響應(yīng)范圍（0°-180°和0.12–62.39 KPa）、快速響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間（均<100 ms）以及出色的循環(huán)穩(wěn)定性（＞5000次）。在可穿戴方面，所制備的紗線基傳感器展現(xiàn)出了出色的實(shí)時(shí)監(jiān)控人類活動(dòng)的功能，例如關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、語(yǔ)音、寫作、呼吸、脈搏和心率。此外，rGO-PYs對(duì)惡劣環(huán)境表現(xiàn)出卓越的抵抗力，無(wú)論是在液氮（-196 °C）、高溫（300 °C）、還是酸堿的侵蝕都不會(huì)顯損壞其外觀和傳感性能。至關(guān)重要的是，由rGO-PYs擴(kuò)展為集成式的2D織物，仍保持了其卓越的多維傳感特性。點(diǎn)接觸式壓力傳感器和壓力傳感陣列在識(shí)別壓力及其分布方面表現(xiàn)出卓越的應(yīng)用潛力。這項(xiàng)工作建立了一個(gè)從制備到應(yīng)用的綜合系統(tǒng)，包括1D功能紗線大規(guī)模制造、傳感性能驗(yàn)證、多維傳感器的集成開(kāi)發(fā)以及多樣化的跨場(chǎng)景應(yīng)用。該創(chuàng)新系統(tǒng)將傳統(tǒng)紗線轉(zhuǎn)化為智能面料，進(jìn)一步將功能性紗線推進(jìn)為多維傳感器（1D到2D和3D），使其能夠?qū)崿F(xiàn)多樣化和多場(chǎng)景的應(yīng)用。


  本工作以題目為“Multi-Scenario Applications of Multi-Dimensional Yarn-Based Wearable Integrated Sensors”發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Advanced Functional Materials上。浙江理工大學(xué)研究生馬騫程為第一作者，浙江理工大學(xué)張兆發(fā)講師和田偉教授為本文的共同通訊作者。


圖1 rGO-PYs的規(guī)模化生產(chǎn)及宏微觀形貌


圖2 rGO-PY的應(yīng)變傳感特性


圖3 基于rGO-PY構(gòu)建的點(diǎn)接觸式壓力傳感器及其性能


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202415044

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