一种柔性应变传感器设计

得益于复合材料的创新制造技术，可穿戴柔性应变传感器能够实时、准确地监测人体皮肤的微小振动。高灵敏度和宽工作范围，是高质量应变传感器的关键参数，但由于结构和导电性的限制，很难在同一传感器上同时实现这两种特性。

据麦姆斯咨询报道，清华大学张莹莹教授团队首次提出了一种柔性应变传感器设计，采用叠加平行排列和随机排列碳纳米纤维（CNF）制成的膜，既实现了高灵敏度，又实现了宽应变检测范围。这项研究成果已经发表于近期的Nano Research。

柔性应变传感器在健康监测、活动监测、智能织物以及人机交互领域都有应用。张莹莹教授研究团队为唇语识别系统设计了一种柔性应变传感器，可以帮助声带受损的用户进行日常交流。

据称，这种唇语识别系统可以为声带受损的用户直接快速地翻译语句，大大降低日常沟通中的障碍。

为了实现这一目标，传感器需要能够从用户面部肌肉的运动中收集信息，同时还能区分细微的变化。满足这些要求的唯一方法，是制备一种既具有高灵敏度又具有宽应变检测范围的柔性应变传感器。

与传统由刚性、笨重金属制成的传感器不同，这种柔性应变传感器可以活动并顺应人体皮肤，而不会引起不适。这类传感器通常由弹性聚合物与导电材料（如石墨烯、碳纳米管、金属纳米颗粒、金属纳米线或液态金属）组合而成，使它们可以整合到衣服中或直接粘附到人体皮肤上。

到目前为止，大多数现有报道的可穿戴应变传感器要么显示出较大的应变工作范围，要么显示出较高的灵敏度，但无法两者兼而有之。根据材料的差异，具有较大应变检测范围的应变传感器可以弯曲或拉伸超过400%。然而，具有大应变检测范围的传感器通常表现出较低的应变系数（灵敏度指标），指的是检测皮肤微小振动的能力。

这两种特性似乎是互斥的：为了实现高灵敏度，当检测到振动时，微结构传感层的导电性需要显著改变。

相反，为了实现更宽的感测范围，传感层应连续导电，即使在很大的拉伸应变下也是如此。因此，具有宽应变检测范围的高灵敏度，似乎是遥不可及的，特别是对于由单一导电介质组成的传感器。

为此，张莹莹教授研究团队设计了一种策略，以同时实现这两种期望的特性。

当传感器中膜的碳纳米纤维平行排列（p-CNF）时，膜表现出低应变检测限和高灵敏度，而随机排列（r-CNF）膜表现出更宽的应变检测范围。

通过叠加平行排列和随机排列的碳纳米纤维膜，研究人员实现了同时具有高灵敏度和宽应变检测范围的柔性应变传感器。

研究团队证明，该传感器可以准确区分关节弯曲等大动作，还可以检测面部表情、眼睛转动、脉搏和说话等细小动作。

作为概念验证，研究团队通过集成p/r-CNF应变传感器、Arduino开源电子平台和一个扬声器，开发了一种智能唇语识别系统。该系统可以“阅读唇语”，通过解读嘴唇的动作来正确跟踪语音符号，然后执行相应的指令，例如输出灯光或音频信号。

这种p/r-CNF应变传感器结构，还可以应用于其他高性能健康管理及医疗辅助传感器设计。

论文链接：

https://doi.org/10.1007/s12274-022-5162-0

审核编辑：刘清