ACS AMI 亮点速递 | 香港理工大学负泊松比织物应变传感器提升智能可穿戴设备检测性能

英文原题：High-Performance Stretchable Strain Sensors Based on Auxetic Fabrics for Human Motion Detection

通讯作者：杨雅蝶（香港理工大学），胡红（香港理工大学）

作者：张铭龙海，杨雅蝶，胡慧铭，赵帅权，宋文芳，Nazmul Karim，胡红

随着智能可穿戴设备的飞速发展，柔性应变传感器因其出色的可伸展性、柔韧性和便携性，已经在人体运动检测、健康监测等领域展现出广泛的应用潜力。然而，传统织物应变传感器通常采用正泊松比的织物材料，其在应变过程中表现出的电阻变化往往存在方向性冲突，导致传感器在受力时灵敏度受到限制，影响了检测性能。此外，传统织物传感器与皮肤的顺应性较差，在佩戴过程中容易产生位移或脱落，影响数据的准确性和设备的舒适性。尤其是当传感器应用于关节等频繁活动的部位时，正泊松比材料的收缩效应限制了肌肉和关节的活动，增加了皮肤的压力，导致不适感。

为了解决这些问题，本研究团队开发了一种基于负泊松比结构的石墨烯改性织物应变传感器。通过创新的织物结构设计，该传感器能够在径向拉伸时，在纬向同步扩展，展示出独特的负泊松比效应，从而大幅提升了传感器的灵敏度和对人体运动的适应性。本文提出的传感器不仅具备高灵敏度和高顺应性，还能够在多次洗涤后保持优异的性能，展示了该技术在智能可穿戴设备中的广泛应用前景。

图1. 负泊松比织物应变传感器设计及制造。a) 具有正泊松比的传统织物。b) 具有内凹六边形单元的负泊松织物结构设计。c)织物照片。d)织物在纵向拉伸时双向膨胀示意图。e)传感器制备示意图。

1. 创新织物结构设计

本研究通过使用商用经编技术，设计并制造了一种基于负泊松比结构的石墨烯改性织物应变传感器。这种传感器采用具有内凹六边形单元的织物结构，使其在拉伸时不仅沿加载方向延展，还能够在垂直方向上同步扩展，实现负泊松比效应。与传统正泊松比织物相比，该结构有效地在拉伸方向和其垂直方向同步了电阻变化趋势，大幅提升了传感器的灵敏度。实验证明，负泊松比结构使得传感器的灵敏度提高了8倍，且通过织物结构参数设计，可改变负泊松比性能，从而根据实际应用需求调整灵敏度等多种传感检测性能。

2. 高性能与高耐久性

负泊松比织物传感器在灵敏度和动态性能方面表现出色。该传感器在不同频率和不同应变区间均表现出稳定的传感性能。在经过1000 次重复拉伸和多次标准洗涤循环后，传感器仅表现出轻微的性能下降，依然能够保持稳定的电阻变化。此外，该传感器具有极好的顺应性，能够贴合关节等部位的运动，确保在大幅度的关节弯曲和运动过程中不会出现脱落或滑移的现象。该传感器在各种场景下表现出优异性能，包含复杂的关节运动、体育活动以及如咳嗽、吞咽等微小动作的监测。

图2. 负泊松比织物应变传感器性能。a)石墨烯涂层和未涂层织物的泊松比值。b)传感器在 10 次洗涤周期前后的泊松比值。c) 未涂层织物在 10 次洗涤周期前后的泊松比值。d) 负泊松比织物应变传感器的相对电阻变化。e) 在 0.05 Hz 的频率下对 10%、20% 和 40% 的应变的响应。f) 在 0.05 Hz、0.1 Hz、0.25 Hz 和 0.5 Hz 的不同频率下对 40%应变的响应。g)传感器在 20% 的应变下拉伸 1000 次循环。h) 1000次拉伸循环下的拉伸回复曲线。

3. 工业化生产潜力

该负泊松比织物应变传感器不仅在实验室条件下展示了优异的性能表现，还具备通过工业化生产实现大规模应用的潜力。研究表明，通过负泊松比织物结构设计制造的传感器，可以利用现有的商用纺织技术大规模生产各种参数的负泊松比织物，而不需要引入额外的昂贵材料或复杂工艺。石墨烯改性织物的生产过程简单高效，能够通过浸涂法多次涂覆石墨烯氧化物并还原，从而实现高导电性和高灵敏度。

本文提出了一种基于负泊松比结构的石墨烯改性织物应变传感器，展示了通过织物结构设计显著提升传感器性能的可能性。该传感器具备高灵敏度、耐用性和动态稳定性，能够准确监测人体的多种运动，尤其适合应用于关节运动监测、运动训练以及健康监测等场景。研究结果表明，通过结构设计引入负泊松比效应能够有效提升传感器的信号响应性能，这为未来开发高性能可穿戴传感器提供了重要的思路。

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ACS Appl.Mater.Interfaces 2024, 16, 37, 49845–49855

Publication Date: September 9, 2024

https://doi.org/10.1021/acsami.4c13402

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