《Nano Energy》：Sensitivity and Detection Range-Tailored Self-Powered Sensing Enabled by Gradient Porous Nanocomposites for Posture Monitoring
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基于梯度多孔导电硅橡胶复合材料的自供电传感器，具有70%压缩应变下的柔韧性、0.149 kPa?1高灵敏度及1.06-83.88 kPa宽压力检测范围，通过自发泡工艺简化制程，适用于人体运动监测与智能坐垫压力传感。
韩家鑫|戴行毅|张旭阳|曹雅军|黄俊辉|肖康文|李宇豪|黄龙彪|冯伟
教育部与广东省光电子器件与系统重点实验室，深圳大学物理与光电子工程学院，中国深圳市518060
摘要
凭借自供电能力，摩擦电传感器在持续健康监测和慢性病预防方面展现出巨大潜力。多孔弹性体为提升摩擦电传感器的柔韧性和输出性能提供了有效策略。然而，增加柔韧性通常会牺牲响应范围。本文制备了一种基于梯度孔结构导电硅橡胶（G-CS）纳米复合材料的摩擦电传感器，该传感器具有高灵敏度和宽检测范围。G-CS摩擦电传感器通过三层分级孔结构实现了优异的柔韧性（每层压缩应变70%）、宽检测范围（1.06 kPa ~ 83.88 kPa）和高灵敏度（0.149 kPa?1）。此外，自发泡技术与分层浇铸和固化工艺的结合简化了制造过程。碳纳米管被引入基体中，既提高了导电性又保持了固有的柔韧性。这种梯度结构使G-CS摩擦电传感器能够检测到人体运动的微弱和显著压力。单个G-CS传感器可用于监测运动，包括脚部运动和关节屈曲。此外，G-CS传感器还可集成到基于阵列的智能坐垫中，以检测坐姿状态。这项研究为预防运动损伤和不良姿势提供了重要途径，为自供电智能医疗保健技术的发展奠定了基础。
引言
随着人们对健康管理的重视日益增加，传感技术已被广泛应用于日常生活中，对提高安全性和便利性具有重要意义[1]。通过监测生理变化，传感器能够提供有效信息以评估身体状况[2][3]，这对于慢性病的预防和治疗至关重要。在体育领域，系统化的监测可以有效优化训练计划并预防运动损伤，这对科学锻炼至关重要。此外，长时间保持不良坐姿不仅会导致椎间盘突出和腰肌拉伤等肌肉骨骼疾病，还会增加高血压和糖尿病等慢性疾病的风险[4]。因此，运动和坐姿监测是健康管理的重要组成部分。对于传统传感器而言，对外部电源的依赖严重限制了其在长时间监测中的应用。自供电传感器为实现长期、不间断运行提供了有效方案[5][6][7]。常见的自供电传感器类型包括压电传感器[8]、热电传感器[9]、光伏传感器[10]和摩擦电传感器[11]等。其中，摩擦电传感器在材料兼容性、制造工艺的简便性以及应用场景的广泛性方面具有独特优势[12][13]。摩擦电传感器基于摩擦电纳米发电机（TENGs）的工作原理，能够从人体运动中捕获机械能并将其转化为电能[14][15]。因此，摩擦电传感器为自供电和可穿戴健康监测技术带来了新的可能性。
对于可穿戴传感器而言，柔韧性、灵敏度和检测范围是关键特性[17][18]。人们提出了多种材料和结构设计方法来提升摩擦电传感器的性能[19][20]。在材料方面，聚氨酯[21]、聚二甲基硅氧烷（PDMS）[22]、水凝胶[23]等多种聚合物因其柔韧性而被认为是理想的摩擦电传感器材料。其中，硅橡胶具有优异的机械性能、耐高温性、耐用性以及良好的生物相容性，适用于软体机器人、电子封装、医疗领域，尤其是智能可穿戴设备[24][25][26]。在结构方面，将多孔结构引入柔性聚合物是提升摩擦电传感器输出性能的有效方法[27]。由于引入了类似海绵的多孔结构，多孔硅橡胶能够显著提高自供电传感器的输出性能和柔韧性[28][29]。此外，多孔结构在接触-分离过程中显著增加了接触面积，从而提供了额外的电荷存储空间，并通过内部摩擦促进了电荷传输[30]。
已开发出多种制造多孔聚合物结构的方法[31][32][33]，如牺牲模板法、冷冻干燥法、气泡成型法、3D打印和相分离法[29][34][35]。郑等人通过冷冻干燥制备了用于高性能TENGs摩擦电层的多孔聚合物气凝胶薄膜[36]。然而，均匀的多孔结构往往在灵敏度和检测范围之间存在权衡[37][38]。梯度多孔结构通过实现空间分级机械响应提供了有效解决方案[39][40]。廖等人利用海绵作为导电网络制备了分级多孔TENG，适用于智能鞋垫[41]。雷等人通过自组装PU海绵框架开发了多孔摩擦电贴片[24]。卢等人采用一步乳液冰模板工艺制备了具有梯度多孔结构的导电海绵，显著提高了传感器的灵敏度和检测范围[42]。朱等人利用3D打印技术，结合碳黑（CB）/聚二甲基硅氧烷（PDMS）制备了具有梯度多孔结构的仿生传感器，实现了可调的高灵敏度和宽线性范围[43]。然而，梯度多孔摩擦电传感器的开发仍面临制造挑战。虽然外部泡沫支架提高了导电性，但往往会牺牲对微弱信号的灵敏度和柔韧性。此外，某些制造过程较为复杂，需要严格控制条件。因此，开发具有高灵敏度、优异柔韧性和简单制造工艺的梯度多孔结构摩擦电传感器仍是自供电传感技术的关键挑战。
在本研究中，我们提出了一种基于导电硅橡胶和梯度孔径结构（G-CS）纳米复合材料的摩擦电自供电传感器，用于人体监测。独特的梯度结构赋予了G-CS摩擦电传感器高柔韧性、优异灵敏度和宽压力检测范围。具体而言，采用化学自发泡方法进行制备，该方法具有制造简便、成本低廉和孔结构可控的优点。值得注意的是，无需外部导电框架或骨架，该传感器的机械柔韧性得到了提升。在70%的压缩应变范围内，三层G-CS摩擦电传感器表现出良好的柔韧性和恢复力。在1.06 kPa至83.88 kPa的压力范围内，其灵敏度达到0.149 kPa?1，相对电压变化率为6.96。这些优异性能表明G-CS摩擦电传感器在个性化医疗保健系统中具有巨大潜力。该传感器能够监测动态人体运动，包括脚部运动模式、关节屈曲和步态动态。此外，当集成到基于阵列的智能坐垫中时，该阵列可以通过将压力分布映射为电信号来获取用户体重信息。这些功能共同为智能医疗监测奠定了全面基础。
材料
有机发泡硅前驱体（分别标记为A和B），对应于三种硅橡胶（S-S、M-S和L-S），购自深圳鸿业科技有限公司，产品代码分别为F662、F663和F664。盐酸多巴胺（DA）、无水乙醇和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）购自Aladdin公司。Tris-HCl缓冲液（pH = 8.2）购自广州一涛生物技术有限公司。碳纳米管（CNT）购自XFNANO公司。
G-CS摩擦电传感器的设计与制备
图1a示意性地展示了G-CS摩擦电传感器在监测关节运动和坐姿压力中的应用。在传感机制中，梯度孔结构起着关键作用。G-CS传感器可以附着在人体关节上，或集成到智能坐垫的传感器阵列中。当关节移动或坐姿发生变化时，基于摩擦电效应，传感器上的机械应力可转化为相应的电信号。
结论
总之，我们开发了一种基于导电纳米复合材料的自供电传感器，用于健康监测。该梯度多孔传感器具有70%的压缩应变柔韧性、0.149 kPa?1的高灵敏度以及1.06 kPa ~ 83.88 kPa的宽压力检测范围。在单电极模式下，G-CS摩擦电传感器产生的开路电压为75.15 V，短路电流为7.95 μA，最大输出功率为328.41 μW。
作者贡献声明
黄龙彪：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念构思。李宇豪：软件开发、数据管理。肖康文：数据分析。黄俊辉：实验研究、数据分析。曹雅军：数据分析。张旭阳：验证、软件开发、实验研究。戴行毅：撰写——审稿与编辑、监督、数据分析、概念构思。韩家鑫：撰写——初稿撰写、方法设计、数据分析。冯伟：撰写——
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了广东省自然科学基金（项目编号2024A1515010639）、深圳市科技计划（ZDSYS20220606100406016）、极端环境下的绿色与长寿道路工程国家重点实验室（项目编号868-000003010103）、深圳大学青年学者科学基金（项目编号806-0000340606）以及深圳市低碳建筑材料与技术重点实验室（ZDSYS20220606100406016）的财政支持。
