一种基于静电搭接技术的超灵敏、仿皮肤多功能柔性传感器，适用于可穿戴设备

《Sensors and Actuators A: Physical》：Ultrasensitive skin-inspired multifunctional flexible sensor enabled by electrostatic flocking for wearable applications

　　

曹若晨|任正|郭芳|文勇|杨阳|刘金鑫|程思

中国江苏省苏州市苏州大学纺织与服装工程学院，邮编215123

摘要

模仿皮肤和表面毛发的仿生结构在柔性传感方面具有吸引力，但传统的制造方法往往复杂且不可扩展。本研究将静电植绒（一种成熟的纺织技术）与丝网印刷相结合，开发出了一种TPU-PVAc@MXene/碳纤维（TPMC）纳米纤维复合材料，作为多功能传感器。该设计模仿了皮肤的细胞外基质和表面毛发，使用了TPU-PVAc基质和垂直植绒的碳纤维。这种结构使TPMC对应变、压力和声学振动具有显著的敏感性。值得注意的是，当植绒密度为1.8 mg·cm?2时，传感器在0-8%的变形范围内实现了超高的应变敏感性（最大灵敏度为118.9），能够精确监测微小的眨眼和脉搏。它还表现出显著的压力感应敏感性（在0.2-1.4 kPa范围内为288.59 kPa?1），适用于手势识别、空间压力映射和膝关节运动检测。此外，它还能准确区分人类声学振动并捕捉动物叫声。本工作突显了静电植绒技术在可扩展、高性能可穿戴传感器方面的巨大潜力。

引言

近年来，模仿人类皮肤的仿生柔性传感器因其类似皮肤的特性（如优异的柔韧性、多功能性和生物相容性）而受到特别关注[1][2]。这些传感器不仅能实时监测人体的生理信号，还能感知外部环境的变化，如应变、压力和温度[3][4][5][6][7][8][9]。然而，尽管在多个领域具有广泛的应用前景，但在实际应用中柔性传感器仍面临许多关键挑战。提高传感器灵敏度是一个亟待解决的问题，特别是在检测微小变形时，通常会出现信号输出弱或响应延迟的情况[10][11]。

许多研究致力于开发先进的理论模型，以提高柔性传感器在微小变形条件下的灵敏度，主要包括基于裂纹传播的架构（利用受控断裂力学[12][13]）、精心设计的多层堆叠配置[14][15]、优化的导电纳米复合系统[16]以及蓬松结构[17][18]。特别是蓬松结构通过增强导电路径的形成和增加界面接触点，显著提高了灵敏度，从而放大了微小变形下的电阻变化。这种独特机制使得这种结构设计特别擅长提高柔性传感器对微弱刺激的检测灵敏度。然而，传统的蓬松结构制造方法通常依赖于复杂的光表面工程技术，如水热反应、激光诱导和自组装工艺，这些过程往往涉及复杂的制造程序和专用设备。相比之下，静电植绒技术作为一种成熟的工业纺织技术，为构建蓬松纤维阵列提供了一种可扩展且高效的方法[19]。该技术的关键优势在于能够利用静电力将纤维垂直且均匀地排列在基底表面上，从而创建高度有序、密集的方向性微结构阵列[20][21][22][23]。尽管过去五年中只有少数研究探讨了静电植绒在电阻压力传感器[9]、自供电传感器[20]、气流传感器[24][25][26]和电极[27][28]中的应用，但植绒纤维阵列在高度敏感的微变形检测和多功能传感器的触觉感知方面的潜在优势仍被很大程度上忽视了。

本文提出了一种基于纳米纤维复合材料TPU-PVAc@MXene/碳纤维（TPMC）的简单策略，通过结合静电植绒和丝网印刷技术来制造受皮肤启发的多功能柔性传感器。在该设计中，TPU-PVAc网络复制了皮肤的细胞外基质（ECM）结构，而植绒的碳纤维则模仿了皮肤的表面毛发（图1a）。由此制成的传感器对小的应变、压力和振动表现出极高的灵敏度，能够准确检测微小的生理信号（例如眨眼和脉搏），并在手势识别和压力映射方面显示出良好的应用前景。其独特的碳纤维结构在声学振动检测方面表现出出色的性能，能够可靠地捕捉动物叫声，表明其在微弱刺激检测应用中具有广泛的潜力。

章节摘录

结果与讨论

TPMC纳米纤维复合材料是通过丝网印刷和静电植绒技术在TPU-PVAc纳米纤维基底上制备的，如图1a所示。我们的先前研究（TPU-PVAc）开发的受ECM启发的柔性基底具有优异的机械强度、抗膨胀性能、柔韧性和可印刷性[29]。随后，在TPU-PVAc基底上丝网印刷了用于信号接收的电极层[30]和碳纤维植绒结构

结论

总之，我们开发了一种高度灵敏的TPMC多功能传感器，其在0%-8%的应变范围内的灵敏度为118.9，线性为0.996；在0-1.4 kPa的压力范围内的灵敏度为288.59 kPa?1，线性为0.991。实验结果证实，该传感器不仅能准确识别表面纹理特征，还能有效检测生理信号，如眨眼和脉搏。

材料

热塑性聚氨酯颗粒（TPU，Leadthane? 685AS）由上海LEJOIN聚合物材料有限公司提供。聚（乙烯醇）（PVA，87~89%）和氟化锂（LiF）购自Aladdin。N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、甲酸（≥88.0%）和盐酸（HCl，36~38 wt%）由华润化工试剂有限公司提供。粒径约为400的MAX相（Ti?AlC?）购自佛山市新西科技有限公司。乙醇由Enox公司提供。PEDOT:PSS

郭芳：研究。任正：初稿撰写、研究、数据整理。杨阳：研究。文勇：研究。刘金鑫：撰写、审稿与编辑。程思：撰写、审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。曹若晨：初稿撰写、研究、数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢江苏先进纺织工程技术中心开放项目计划和苏州大学碳基功能材料与器件重点实验室开放项目基金（项目编号KJS2210）的财政支持

附录A. 补充数据

MXene墨水印刷图案尺寸；MXene的TEM图像；TPU-PVAc和TPU-PVAc@MXene的应力-应变曲线；使用MXene墨水印刷基底后的电阻；叉指电极的电阻稳定性

曹若晨于2024年获得安徽工程技术大学纺织与服装工程学院的学士学位。他目前在苏州大学纺织与服装工程学院攻读研究生学位，师从程思教授。他的研究兴趣集中在柔性传感器的设计和制造上。