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基于石墨烯/碳纳米管复合材料的柔性应变传感器开发及其在足底压力监测中的应用。该传感器通过优化8wt%填料和100目网版参数实现高灵敏度（GF=3.28-4.62）和快速响应（80ms/120ms），并保持5000次循环稳定性，集成到智能鞋垫后可有效识别个体足底压力分布特征，为可穿戴健康监测设备提供新方案。
孙启浩|余文辉|何文璐|陈远民|徐洪|吴大明|孙静瑶|宁南英
北京化工大学有机-无机复合材料国家重点实验室，中国北京100029
摘要
足底压力信号包含丰富的生理和病理信息，因此其测量对于健康管理和疾病预防具有很高的价值。传统设备虽然在实验室环境中能够提供高精度数据，但存在对环境的依赖性、便携性差、成本高以及实时性不足的问题，这限制了它们在日常健康监测、运动训练和慢性病管理中的应用。本研究采用丝网印刷作为核心制造技术。通过调整石墨烯/碳纳米管复合导电填料的掺杂含量并比较传感器的整体性能，确定了最佳参数为8 wt%的填料含量和100目丝网。所制备的传感器表现出分段式的灵敏度响应：在0–60%应变范围内，其灵敏度因子（GF）为3.28；在60–100%的高应变范围内，灵敏度因子进一步提高至4.62。该传感器还表现出优异的动态性能，响应时间为80 ms，恢复时间为120 ms，能够稳定检测低至1%的微小应变，并具有良好的频率响应特性。经过5000次循环应变测试后，传感器输出没有显著衰减，表明其具有出色的结构稳定性和耐用性。为了验证其实际应用价值，将传感器集成到鞋垫中，构建了一个足底压力监测系统。通过收集和分析人体足部八个特征区域的静态和动态压力信号，该系统能够有效区分不同个体的足底压力分布特征。此外，该传感器还可以扩展用于实时监测人体各部位的运动信号。总之，本研究开发的柔性应变传感器在电子皮肤、智能可穿戴设备和人体运动监测领域具有广泛的应用前景。
引言
随着健康意识的提高和可穿戴技术的进步，人们对连续便捷的监测需求日益增强[1]、[2]、[3]、[4]。足底压力信号反映了人体的运动和生理状态[5]，并携带丰富的生理和病理信息[6]、[7]。对这些信号的动态监测有助于疾病预防、康复评估、运动训练和日常健康管理[8]。足部是行走、跑步和站立时身体与地面之间的主要承重结构，其压力模式与下肢生物力学直接相关[9]。异常的足底压力分布可能预示着足部结构和功能的障碍，与扁平足、高弓足、踝关节稳定性差以及下肢机械轴偏移等问题有关[7]、[10]。持续的异常情况可能引发膝盖、髋部和脊柱的代偿性变化，增加运动损伤和慢性劳损的风险[11]、[12]。足底压力特性的变化还可以预测糖尿病足溃疡的风险、评估类风湿性关节炎的进展、进行步态分析以及监测术后康复[13]、[14]、[15]。因此，迫切需要一种能够实时、准确且方便地监测足底压力的技术，以用于健康管理、临床诊断和康复工程。
传统的足底压力测量设备包括光学力板和嵌入式多传感器系统。它们在实验室环境中可以提供高精度数据，但体积庞大且对环境依赖性强[16]、[17]。成本高昂，且佩戴性较差。长期动态监测仍然较为困难。这些限制限制了它们在日常生活、户外运动和长期健康监测中的广泛应用[18]、[19]、[20]。柔性电子技术为下一代可穿戴传感系统克服这些瓶颈提供了新的途径。新型纳米材料[21]，如MXene[22]、石墨烯和碳纳米管[23]，使得柔性传感器的开发成为可能[24]。这些传感器因高灵敏度、优异的柔韧性和良好的佩戴性而受到广泛关注[25]、[26]、[27]、[28]。李等人[29]从蛇鳞中获得了灵感，设计了一种具有交叉倾斜梯度结构的仿生柔性压阻传感器。他们结合了仿生微结构设计和先进的制造工艺（包括直接写入微制造和3D打印），在传感层实现了超高密度的导电接触点，并实现了电极层的高精度图案化。他们的研究为设计和制造高性能柔性触觉传感器提供了宝贵的参考。Nemala等人[30]开发了一种全碳导电墨水，将碳纳米洋葱和碳纳米管分散在SEBS弹性体基质中，并使用这种墨水通过浸涂法制备了压缩传感器；通过刮涂法制备了可拉伸传感器。一维碳纳米管形成了长距离的导电路径，零维碳纳米洋葱填充了网络间隙，这种协同效应显著增强了渗透行为。SEBS基质提供了良好的弹性和强界面粘结性。使用生物质衍生的溶剂进一步提高了环境兼容性和实用性。Peng等人[31]制备了一种压阻传感器阵列，基于交叉条纹纳米碳复合材料，并结合机器学习实现了高精度的触觉识别，该阵列具有1.5 mm的空间分辨率和5 ms的时间分辨率，从单次触摸中识别凸起字母的准确率达到98.9%。性能优势源于交叉结构对串扰的抑制作用，以及纳米碳材料的稳定电响应。机器学习算法的特征增强也起到了重要作用。这项工作为高分辨率、可扩展的机器人触觉感知提供了有效的解决方案。
在复杂的佩戴条件下，通过低成本[32]、[33]和可扩展的制造方法实现高性能柔性传感器的可靠集成和稳定输出仍然是该领域的一个核心挑战[34]、[35]、[36]、[37]。丝网印刷[38]作为一种成熟的图案化技术，具有低成本、高效率和大面积加工能力，非常适合用于柔性电子器件中功能层的制造[39]、[40]、[41]、[42]、[43]。柔性基底通常由硅橡胶等弹性体材料制成[44]。吴等人[45]回顾了丝网印刷柔性传感器的最新进展，强调了其在成本效益、大面积兼容性和可定制图案化方面的优势。该技术能够打印多种功能性墨水（包括金属、碳基材料、聚合物和MXenes），并允许在一步中集成传感层、电极和微结构。这些能力为高性能、可扩展的柔性传感器的工业化制造提供了可行的途径。李等人[46]展示了一种基于WPU/Gr/Ecoflex复合材料的丝网印刷柔性电阻应变传感器，用于手势识别。该设备通过将自制的石墨烯导电墨水和银浆丝网印刷到PET基底上，然后进行转移和封装制成。在50%的预应变条件下，传感器的可用应变范围为0–112%，响应时间和恢复时间分别为240 ms和40 ms，并在1000次循环后保持稳定性。当该传感器集成到数据手套中并与支持向量机算法结合使用时，系统的手势识别准确率达到97%。这种简单且低成本的方法将预拉伸参数与最终设备性能直接关联起来，为制造高性能可穿戴柔性电子产品提供了一种实用且可扩展的策略。
为了解决这些挑战，本章介绍了一种用于足底压力绘制的丝网印刷柔性传感器。通过添加石墨烯/碳纳米管混合填料调整了导电墨水，使用可拉伸弹性体作为基底，并引入了微纹理以提高灵敏度。最佳组成为8 wt%的填料，通过100目丝网印刷。该传感器在60%应变以下时的灵敏度因子为3.28，在60%到100%应变范围内的灵敏度因子为4.62。响应时间为80 ms，恢复时间为120 ms，能够检测到1%的微小应变。经过5000次循环后，信号漂移可以忽略不计。频率响应在10 Hz以下保持平坦。该传感器贴合皮肤，并能附着在柔性PCB上。设计了42个元素的阵列以匹配足部骨骼结构，覆盖了八个解剖区域：脚趾、三个跖骨区域、内侧和外侧足弓以及内侧和外侧脚跟。硅胶背衬确保了紧密接触。首先记录了不同足弓类型志愿者的静态压力分布，随后对高弓足和平足受试者在平地行走时的动态压力进行了测试。使用Matlab生成了电压图，并量化了峰值压力和压力-时间积分。所提出的制造方法成本低廉且可扩展。该传感器平台为步态分析、足部疾病的早期检测以及人机交互提供了可靠的工具。
材料
选择多壁碳纳米管（MWCNTs；YFT-100，浙江亚美纳米科技有限公司）和石墨烯（SE1331，常州第六元素科技有限公司）作为导电填料。弹性体基底由聚二甲基硅氧烷（PDMS；Sylgard 184，陶氏康宁公司）和甲基乙烯基硅橡胶（110–0，深圳华灿硅橡胶科技有限公司）组成。
结果与讨论
图1展示了丝网印刷柔性足底压力传感器的制造过程和结构设计的示意图。图1(a)显示了导电墨水的制备过程：使用均质器将碳酯、石墨烯和碳纳米管分散在硅油中，均质器施加强烈的剪切力以确保填料均匀分散；随后的真空处理去除了内部气泡，添加固化剂和催化剂优化了墨水的均匀性。
结论
本研究成功通过丝网印刷技术制备了一种利用石墨烯/碳纳米管复合材料作为导电填料的柔性足底压力传感器，并将其集成到智能鞋垫系统中用于步态分析。该传感器在0–60%和60–100%应变范围内的灵敏度因子分别为3.28和4.62，响应/恢复时间分别为80 ms和120 ms，能够可靠地检测低至1%的微小应变。
作者贡献声明
孙启浩：撰写——原始草稿、方法论、实验研究。余文辉：撰写——原始草稿、方法论、实验研究。徐洪：验证。何文璐：项目管理、概念设计。陈远民：项目管理、实验研究、概念设计。宁南英：撰写——审稿与编辑、数据整理。吴大明：资源获取、方法论。孙静瑶：撰写——审稿与编辑、数据整理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
作者感谢来自国家自然科学基金（编号：52573030）、北京Nova计划（编号：20250484772）和广东省重点领域研发计划项目（编号：2024B0101040003）的财政支持。
