國(guó)內(nèi)大學(xué)研究人員聯(lián)合研發(fā)熱管理柔性可穿戴應(yīng)變傳感器

柔性電子器件因其可在彎折、扭曲、折疊、拉伸等情況下仍能保持穩(wěn)定的電學(xué)性能而成為當(dāng)下科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。相比常規(guī)硬質(zhì)器件，柔性電子器件在諸如柔性傳感器、可穿戴設(shè)備、能源存儲(chǔ)、植入醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。與高導(dǎo)熱復(fù)合納米材料類似，柔性電子器件的制備也多是通過將導(dǎo)電納米材料 (例如納米線、納米管、石墨烯等)與柔性高分子基體復(fù)合來獲得。然而在器件反復(fù)形變過程中，導(dǎo)電納米材料之間較大的接觸電阻，以及納米材料與高分子基體之間的不良接觸等，均會(huì)使得柔性電子器件內(nèi)部積聚大量熱量。這些熱量如果不能及時(shí)從器件中消散，勢(shì)必會(huì)影響器件的性能和壽命，甚至?xí)＜罢麄€(gè)系統(tǒng)的安全。即對(duì)于柔性電子器件，除了優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)，穩(wěn)定的熱學(xué)性能同樣重要。目前的導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料盡管本身具有一定柔韌性，并且應(yīng)用于LED等常規(guī)硬質(zhì)電子器件的熱管理，但其在柔性電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用研究卻極少有人涉足。探尋恰當(dāng)?shù)臒峁芾聿牧吓c結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用于柔性電子器件領(lǐng)域，對(duì)其機(jī)理展開深入研究，對(duì)于新一代柔性可穿戴電子器件的發(fā)展顯得尤為重要。

日前，青島大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院孫彬副教授與上海交通大學(xué)黃興溢教授、上海大學(xué)張統(tǒng)一院士等合作研發(fā)了一款具有高效熱管理能力的柔性可穿戴應(yīng)變傳感器，并用于青島大學(xué)龍舟運(yùn)動(dòng)員的日常訓(xùn)練動(dòng)作監(jiān)測(cè)和分析。相關(guān)工作以“A high performance wearable strain sensor with advanced thermal management for motion monitoring”發(fā)表在《Nature Communications》上。第一作者為青島大學(xué)2020屆物理學(xué)碩士研究生譚岑孝，孫彬副教授、黃興溢教授和張統(tǒng)一院士為論文共同通訊作者。

研究者對(duì)該柔性可穿戴傳感器進(jìn)行了獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：由石墨烯納米帶(GNRs)構(gòu)成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)在器件發(fā)生形變時(shí)，電阻信號(hào)發(fā)生變化，可以用來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)情況;導(dǎo)熱層由摻雜了氮化硼納米片的熱塑性聚氨酯彈性體橡膠(TPU-BNNS)膜構(gòu)成，可將器件使用過程中產(chǎn)生的熱量快速實(shí)時(shí)傳導(dǎo)到空氣中;熱絕緣層(TPU纖維膜)則可有效防止熱量在器件和人體皮膚界面累積，保障人體安全。同時(shí)，TPU纖維膜的多孔結(jié)構(gòu)也保證了皮膚的透氣性。

圖1 柔性可穿戴應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖。

測(cè)試中，研究者發(fā)現(xiàn)，無論是TPU-BNNSs膜還是傳感器的導(dǎo)熱系數(shù)都會(huì)隨著BNNSs含量的增加而增加，但由于傳感器含有疏松的TPU電紡纖維層，因此其導(dǎo)熱系數(shù)不如含有相同質(zhì)量BNNSs的TPU-BNNSs膜，但含有35%BNNSs的傳感器樣品導(dǎo)熱系數(shù)仍較純TPU致密膜封裝的樣品有242%的提高，這也導(dǎo)致前者的飽和工作溫度較后者有32%的下降。此外，研究者還對(duì)該傳感器在0-100%應(yīng)變范圍內(nèi)的飽和工作溫度進(jìn)行了觀測(cè)，在超過30個(gè)循環(huán)內(nèi)，其飽和溫度變化在3.5 °C以內(nèi)，顯示了較高的熱穩(wěn)定性。其原因在于TPU-BNNSs膜中的BNNSs相互搭聯(lián)形成導(dǎo)熱通路，雖然拉伸時(shí)部分BNNSs接觸面積變小，導(dǎo)致溫度小幅提高，但恢復(fù)形變之后大部分BNNSs又回到原來位置，修復(fù)了導(dǎo)熱通路。

圖2 (a) TPU-BNNS導(dǎo)熱層和傳感器的導(dǎo)熱系數(shù)。(b) 不同BNNSs含量的傳感器樣品飽和工作溫度比較。 (c) 傳感器經(jīng)受30多個(gè)反復(fù)拉伸(100 %形變)-復(fù)原過程時(shí)表面溫度變化曲線。(d) 拉伸-復(fù)原過程中由BNNSs間接觸面積變化而引起導(dǎo)熱通路變化示意圖。

龍舟競(jìng)賽是我國(guó)的傳統(tǒng)體育項(xiàng)目。在龍舟比賽中，龍舟運(yùn)動(dòng)員以肩膀?yàn)檩S，通過上肢運(yùn)動(dòng)劃動(dòng)槳葉，從而驅(qū)動(dòng)龍舟快速向前運(yùn)動(dòng)。因此，龍舟運(yùn)動(dòng)員的傷病主要發(fā)生在上肢，包括肩膀、肘部、手腕等關(guān)節(jié)，而其中大部分是因?yàn)槠谝??？紤]到疲勞時(shí)容易產(chǎn)生動(dòng)作變形，研究者們將該應(yīng)變傳感器用于青島大學(xué)女子龍舟隊(duì)(2019年中華龍舟大賽總決賽季軍)隊(duì)員的日常訓(xùn)練動(dòng)作監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)時(shí)，傳感器被分別固定在運(yùn)動(dòng)員肩膀、手腕和肘部。結(jié)果表明，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員體力充沛時(shí)，固定于肩膀處的傳感器信號(hào)顯示有兩處峰值，分別對(duì)應(yīng)了肩部的拉伸和關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn);而當(dāng)運(yùn)動(dòng)員感覺疲勞時(shí)，肩關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)信號(hào)減弱甚至完全消失，只剩下機(jī)械的拉伸活動(dòng)。相反，運(yùn)動(dòng)員手腕處的傳感器信號(hào)顯示，相比于體力充沛時(shí)，感覺疲勞的運(yùn)動(dòng)員會(huì)不由自主的彎曲手腕以獲得足夠的推動(dòng)槳葉的力量。此外，無論是肩膀、手腕還是肘部，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員體力不支時(shí)，傳感器信號(hào)的輸出強(qiáng)度均小于體力充沛時(shí)。

圖3 應(yīng)變傳感器用于龍舟隊(duì)員訓(xùn)練時(shí)動(dòng)作監(jiān)測(cè)分析

對(duì)于可穿戴電子設(shè)備而言，器件的安全性至關(guān)重要，即器件成分本身不能對(duì)人體產(chǎn)生任何安全隱患。本傳感器中，導(dǎo)熱層和熱絕緣層都是由TPU構(gòu)成，因此兩層材料有較好的互溶性，可以將GNRs和BNNSs牢牢限制在器件中，從而避免了因納米材料可能產(chǎn)生的毒性對(duì)人體細(xì)胞的損傷。

圖4 細(xì)胞增殖實(shí)驗(yàn)證明該柔性可穿戴應(yīng)變傳感器的安全性

該工作有望對(duì)柔性可穿戴器件的制備提供新的思路。

上述工作還得到了青島大學(xué)龍?jiān)茲山淌?、郭向欣教授、趙海光教授、上海交通大學(xué)江平開教授、復(fù)旦大學(xué)周兆才教授、上海大學(xué)江進(jìn)武教授、蘇州大學(xué)趙燕教授和青島大學(xué)水上運(yùn)動(dòng)中心等的指導(dǎo)和無私幫助。