《Microchemical Journal》：A breathable and stretchable strain sensor based on electrospun TPU/CNT/CF/graphene nanocomposites for intelligent gesture recognition
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刘兆涛|耿景超|李强|高坦|乌拉·拉扎|马建安|高辉|丁立峰|桑胜波中国太原理工大学集成电路学院人工智能与微纳传感器山西省重点实验室，太原030024摘要可穿戴柔性设备已成为运动监测、个人健康管理和康复训练等领域应用的新兴技术平台。随着可穿戴柔性技术的成熟，对作为核心功能组件的柔
刘兆涛|耿景超|李强|高坦|乌拉·拉扎|马建安|高辉|丁立峰|桑胜波
中国太原理工大学集成电路学院人工智能与微纳传感器山西省重点实验室，太原030024
摘要
可穿戴柔性设备已成为运动监测、个人健康管理和康复训练等领域应用的新兴技术平台。随着可穿戴柔性技术的成熟，对作为核心功能组件的柔性传感器的研究重点已从单纯提升性能转向全面优化用户体验，包括佩戴舒适性、小型化、可拉伸性和透气性等方面。为应对这一多方面的挑战，本研究开发了一种采用碳纳米管（CNTs）、碳纤维（CFs）和石墨烯复合材料的薄型、贴合性好的柔性应变传感器，并通过静电纺丝技术制备。此外，还集成了一款定制的信号采集电路和蓝牙传输模块，以实现远程实时数据传输。同时，实现了轻量级手势识别算法，以增强系统的交互感知能力。实验结果表明，将该柔性传感器应用于电子手套原型中，验证了其在可穿戴柔性应用场景中的实用性和扩展性。
引言
近年来，由于具备轻便、薄型且贴合性好的特点，可穿戴传感器在环境监测[1]、[2]、[3]、健康管理[4]、[5]、[6]、个性化医疗[7]、[8]、[9]以及人机交互[10]、[11]、[12]等领域展现出广阔的应用前景。随着柔性传感器技术的不断成熟，研究重点逐渐从优化单一性能指标转向提升整体佩戴舒适性和用户体验。这包括开发更薄的结构、提高可拉伸性、增强透气性以及改善长期佩戴的舒适性。这些要求对传感器材料选择和系统集成提出了更高的要求[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。因此，制造出既薄又高度可拉伸且具有良好透气性的传感器，并实现实时数据采集与传输[18]、[19]、[20]，是基于柔性电子产品的可穿戴传感器的关键发展方向。
在保持传感器的薄度和轻量化的同时，兼顾其可拉伸性和灵敏度是一个重要的挑战[21]、[22]、[23]。基于混合纳米复合材料的策略为解决这一问题提供了可行的技术途径。例如，张等人制备了一种多功能芯鞘型柔性应变传感器，该传感器表面装饰有多壁碳纳米管（MWCNTs）和还原氧化石墨烯（rGO）。一维/二维混合碳材料与芯鞘纱线的螺旋结构的结合赋予了传感器极宽的工作范围[24]。类似地，史等人通过将MXene和银纳米线（AgNW）沉积在经过等离子体处理的聚氨酯基板上，制备出了高灵敏度和宽工作范围的应变传感器，同时实现了良好的线性和单调性[25]。热塑性聚氨酯（TPU）由于其出色的可拉伸性、柔韧性、热稳定性和化学稳定性以及优异的加工性能，逐渐成为柔性电子产品的理想软质基底。此外，TPU还被广泛报道具有良好的生物相容性和低皮肤刺激性，适合用于可穿戴产品中的长期接触[26]、[27]。同时，碳纳米管（CNTs）、碳纤维（CFs）和石墨烯的复合材料因其理想的柔性、轻质性和高效应变-电荷传输特性，被广泛应用于压力和应变传感器的制造中。因此，在本实验中选择了TPU作为柔性基底，并使用CNTs、CFs和石墨烯的复合材料作为导电功能材料。通过静电纺丝工艺制备出柔性应变传感器，实现了结构薄度与轻量化、高灵敏度和宽应变范围的协同优化。
在简化制造工艺的同时，兼顾结构轻量化和高灵敏度仍是一项重要的技术挑战[28]、[29]、[30]、[31]。以往的研究试图通过结构设计来提升传感性能。例如，杨等人结合3D打印和喷涂技术开发了一种由AgNWs@CNTs/TPU构成的双仿生传感器，该传感器具有类似指纹的图案和仿生血管导电结构，实现了高灵敏度和宽应变检测范围[32]。宋等人开发了一种基于Ecoflex基板的压力-应变传感器，通过集成碳纳米管（CNTs）和热膨胀微球（TEMs）形成了具有宽压力检测范围和高应变检测能力的多孔结构[33]。然而，这些方法通常依赖于复杂的图案化工艺或多层复合结构，导致制造成本和工艺复杂性增加。
为了解决这些限制，本研究采用静电纺丝技术制备了一种轻质且结构简单的传感器。在此设计中，TPU纤维膜作为柔性基底，均匀嵌入了碳纳米管/碳纤维/石墨烯导电网络。得益于静电纺丝纤维本身的多孔结构，传感器能够在应变作用下连续调节导电路径，无需复杂的结构图案化。导电网络的可逆重构保证了高灵敏度，而TPU的优异弹性和界面附着力则维持了动态变形过程中的结构完整性和电气稳定性。此外，静电纺丝工艺具有低成本和简单性的优势，为制造轻质、贴合性好且高性能的柔性应变传感器提供了有效途径。
在实现结构轻量化的同时兼顾高灵敏度，并简化制造工艺仍是一项重要的技术挑战[28]、[29]、[30]、[31]。先前的一些研究尝试通过结构设计来提升传感性能。例如，杨等人结合3D打印和喷涂技术开发了一种由AgNWs@CNTs/TPU构成的双生物传感器，具有类似指纹的图案和仿生血管导电结构，实现了高灵敏度和宽应变检测范围[32]。宋等人研究了基于Ecoflex基板的压力-应变传感器，通过集成碳纳米管（CNTs）和热膨胀微球（TEMs）形成了能够实现宽范围压力检测和高应变检测的多孔结构[33]。然而，这些方法往往依赖于复杂的图案化工艺或多层复合结构，导致制造成本和工艺复杂性增加。
为了解决这些问题，本研究基于静电纺丝技术开发了一种轻质且结构简单的传感器。在该设计中，TPU纤维膜作为柔性基底，其中均匀嵌入了碳纳米管/碳纤维/石墨烯导电网络。由于静电纺丝纤维本身的多孔结构，传感器能够在应变作用下连续调节导电路径，无需复杂的结构图案化。导电网络的可逆重构保证了高灵敏度，而TPU的优异弹性和界面附着力则保持了结构完整性和电气稳定性。此外，静电纺丝工艺成本低廉且简单，为制造轻质、贴合性好且高性能的柔性应变传感器提供了有效途径。
在已开发的传感器的基础上，进一步构建了一个可拉伸的智能感知系统。该传感器由热塑性聚氨酯（TPU）、碳纳米管（CNTs）、碳纤维（CFs）和石墨烯组成，具有宽检测范围和良好的机械稳定性，适用于可穿戴应用。它被集成到手指关节上以捕捉实时运动信号。定制的硬件采集系统负责信号过滤，并通过低功耗蓝牙（BLE）将数据传输到移动应用程序进行存储和可视化。实验结果表明，该系统能够有效采集多通道信号并通过手势识别算法实现运动分类。这项工作为智能手势识别提供了实际应用框架，并强调了系统级设计在推动可穿戴柔性电子技术发展中的重要性。
章节片段
材料
本实验中使用的碳纳米管（CNTs）（外径：30–50?nm，长度：0.5–2?μm，纯度 >99?wt%）购自深圳瑞恒石墨烯科技有限公司。碳纤维（CFs，300目）由国森凌航科技有限公司提供，典型尺寸为50?μm（长度）和7?μm（直径）；石墨烯购自深圳国恒启航科技有限公司。热塑性聚氨酯（TPU）则购自合肥元力仪器科技有限公司
复合材料的选取
使用含有18?wt%、20?wt%和22?wt% TPU的质量分数的静电纺丝溶液制备的TPU膜，被切割成适合固定在扫描电子显微镜（SEM）夹具中的尺寸，以获取SEM图像。通过观察TPU膜的微观形态，确定了获得均匀、无缺陷且具有优异机械性能的纤维膜的最佳溶质浓度。
结论
本研究成功设计并制备了一种基于TPU/石墨烯/碳纤维/碳纳米管复合材料的柔性应变传感器。通过静电纺丝和溶液浸渍工艺实现了导电网络的均匀构建和结构优化。实验表明，该传感器在0–280%的宽广应变范围内表现出分段的灵敏度提升，同时具有良好的线性响应、重复性、耐用性等优良特性。
作者贡献声明
刘兆涛：负责监督和数据整理。耿景超：负责撰写初稿、验证和数据整理。李强：负责撰写、审稿与编辑、方法学研究及资金申请、概念构思。高坦：负责验证。乌拉·拉扎：负责验证。马建安：负责监督。高辉：负责监督。丁立峰：负责撰写、审稿与编辑、资金申请。桑胜波：负责验证和监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了山西省基础研究计划（202403021221067、202403021221203）和山西省专利转化计划（202405020、202401004）的支持。
