Page 25 - 《精细化工》2021年第4期
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第 4 期          郭茹月，等:  二维导电材料/柔性聚合物复合材料基可穿戴压阻式应变传感器的研究进展                                 ·659·


            密度石墨烯的高灵敏度（>10000）应变传感器，用                          器的最新研究进展。从目前的研究现状来看，2D-CPC
            于检测人体脉搏，如图 10a 所示，该传感器能够记                          基可穿戴压阻式应变传感器在人体健康监测领域发
            录正常状态下脉搏波动所产生的电阻信号，并且对                             挥着重要的作用，但其在实际应用中仍面临着巨大
            脉搏波中的 3 个特征峰（冲击波 P、潮汐波 T 以及                        的挑战。
            舒张波 D）能够进行识别，实现实时监测脉搏信号                               （1）大多数的 2D-CPC 基可穿戴压阻式应变传
            的功能；当传感器安装在胸部时，在呼吸过程中可                             感器只能监测单一方向的应变信号，无法在同一时
            以清楚地捕捉到心跳活动，如图 10b 所示                [107] ；将传     间对多种应变信号进行分析，且其在传感范围内具
            感器连接到人体的喉结上，可以记录讲话时细微的                             有多个线性区域，为传感器的实际应用造成了困扰。
            表皮/肌肉运动，YANG 等         [27] 制备了具有网络结构的             为了解决这些问题，在传感器的设计中应注重不同
            MXene/聚氨酯（PU）应变传感器用于声音识别，结                         导电材料间的协同效应，根据使用要求选择合理的
            果表明，当研究人员说出不同音节的不同单词时，如                            结构和合适的制备方法，进而制备出满足人体健康
            “Technology”、“Sensor”和“MXene”等，单词中                 监测需求的可穿戴应变传感器。
            不同的音节会造成不同的电阻变化，从而得到不同                                （2）含水、微生物或酸/碱/盐等的恶劣环境会
            的信号模式（如图 10c 所示），这表明该传感器在监                         影响 2D-CPC 基可穿戴压阻式应变传感器的电导率
            测细微的人体生理活动方面具有潜在的应用价值。                             和电子传感过程，从而干扰传感器的稳定性，缩短
                 另一方面，2D-CPC 基柔性压阻式应变传感器                       其使用寿命。因此，在传感器表面构筑超疏水结构
            还具有较大的传感范围，可用于监测一些大幅度的                             是抵抗液体干扰的理想选择，但其又会对传感器的
            人体运动     [61,108-109] 。例如，将传感器附着在人体关节              电学性能及传感性能造成不利影响，如何平衡两者
            处，通过监测电阻的相对变化，可跟踪手指活动或                             之间的关系是一个需要解决的问题。
            膝关节在伸展、弯曲、行走、慢跑、跳跃和蹲下时                                （3）柔性聚合物材料的高模量和弱附着力使
            的各种运动。LIN 等       [108] 将石墨烯应变传感器附着于               2D-CPC 基可穿戴压阻式应变传感器易于滑离特定
            手指表面，检测手指的弯曲和拉伸，如图 10d 所示，                         位置，不能对人体活动进行实时有效监测；另外，
            当食指弯曲时，传感器被拉伸，电阻增大，食指伸                             聚合物材料透气性差，不适合长时间佩戴。因此，
            直后，电阻逐渐恢复到原来的状态，能够对手指活                             寻找具有良好机械性能和可生物降解的天然基底，
            动进行可靠检测。WANG 等           [61] 在紧身衣上附着具有            并对其进行合理的设计和加工，从而得到适宜人体
            3D 导电网络结构的石墨烯应变传感器，实时监测膝                           长时间佩戴的可穿戴传感器是一种有效途径。
            盖关节运动，从图 10e 可以轻易区分出行走、跑步、                            （4）目前，2D-CPC 基可穿戴压阻式应变传感
            跳跃等不同运动状态；此外，面部表情也需要被准                             器工作过程中导电网络变化的模型和理论方面仍有
            确地检测。GUO 等       [109] 将制备的 MXene/橡胶基应变            待开拓，未来可借助计算机模拟，进一步揭示传感
            传感器用于面部表情检测，当研究人员做出不同的                             器在工作过程中的形态变化、应变分布及界面相互
            表情（微笑、惊讶）时，人类肌肉的收缩和放松状                             作用等，从微观水平上进一步研究其应变响应机理。
            态就会发生变化，由于该传感器的高灵敏度，可以
                                                               参考文献：
            获得对不同肌肉运动的响应电流模式（如图 10f 所
                                                               [1]   WANG S H, XU J, WANG W C, et al. Skin electronics from scalable
            示）。
                                                                   fabrication of an intrinsically stretchable transistor array[J]. Nature,
                 总之，2D-CPC 基柔性压阻式应变传感器在人                           2018, 555(7694): 83-88.
            体运动检测和健康监测方面表现出卓越的性能和巨                             [2]   HARRIS K D, ELIAS A L, CHUNG H J, et al. Flexible electronics
                                                                   under strain: A review of mechanical characterization and durability
            大的潜力。随着传感器性能的不断提升，2D-CPC                               enhancement strategies[J]. Journal of Materials Science, 2016, 51(6):
            基柔性压阻式应变传感器可以具有更准确和可靠的                                 2771-2805.
                                                               [3]   ZHANG B, LEI J, QI D P, et al. Stretchable conductive fibers based
            实时监测能力，有望推动远程医疗诊断领域的进一                                 on a cracking control strategy for wearable electronics[J]. Advanced
            步发展。                                                   Functional Materials, 2018, 28(29): 1801683.
                                                               [4]   YANG T T, XIE D, LI Z H, et al. Recent advances in wearable tactile
                                                                   sensors: Materials, sensing mechanisms, and device performance[J].
            5    结语与展望
                                                                   Materials Science & Engineering Reports, 2017, 115: 1-37.
                                                               [5]   HAN S T, PENG H Y, SUN Q J,  et al. An overview of the
                 随着中国社会人口老龄化、医疗资源分布不均                              development of flexible sensors[J]. Advanced Materials, 2017, 29(33):
            等现象日趋明显，移动医疗需求日益增加，用于人                                 1700375.
                                                               [6]   HROVAT M, BELAVIC D, SAMARDZIJIA Z. Characterisation of
            体健康检测的可穿戴传感器正迎来发展的黄金时                                  thick film resistor series for strain sensors[J]. Journal of the European
            期。本文综述了 2D-CPC 基可穿戴压阻式应变传感                             Ceramic Society, 2001, 21(10): 2001-2004.
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