中原工學院利用碳納米管研發(fā)可穿戴傳感器

本文要點：

在制備方法上，首次采用簡易靜電紡絲技術(shù)，設計并制備了一種具有良好拉伸性能和機械穩(wěn)定性的可拉伸壓阻碳納米管納米纖維傳感紗，可方便地織成不同功能的可穿戴織物，應用于可穿戴電子產(chǎn)品和智能紡織品。

在材料和結(jié)構(gòu)設計方面，通過將彈性壓阻型碳納米管(CNT)嵌入PU納米纖維包裹在可伸縮的纖維型芯電極上，成功地在纖維和紡織品基體上構(gòu)建了精細的傳感微/納米結(jié)構(gòu)和高效的導電網(wǎng)絡，實現(xiàn)了多模傳感能力。

在傳感機理上，利用這種制備方法和先進的結(jié)構(gòu)，制備的織物傳感器具有精細的層次結(jié)構(gòu)，從一維宏觀紗線到亞微米彈性納米纖維，再到內(nèi)部納米尺度的碳納米管滲流網(wǎng)絡。這提供了一個相對較大的接觸面積和足夠的彈性，導致多個接觸點和更大的變形空間，多模式傳感各種機械刺激，提高了靈敏度和廣泛的傳感范圍。

成果簡介

開發(fā)多模式可穿戴紡織品傳感器來模擬復雜的人體皮膚特征，是醫(yī)療保健、電子皮膚、人工智能和生物醫(yī)學電子應用的核心。本文，中原工學院Kun Qi等研究人員在《Carbon》期刊發(fā)表名為“Weavable and Stretchable Piezoresistive Carbon Nanotubes-embedded Nanofiber Sensing Yarns for Highly Sensitive and Multimodal Wearable Textile Sensor”的論文，研究成功地制備了可伸縮壓阻碳納米管嵌入納米纖維傳感紗線，其機械強度足以編織成可穿戴的織物傳感器，可檢測和區(qū)分壓力、拉伸和彎曲等多種機械刺激。

通過使用簡便的靜電紡絲技術(shù)將壓阻彈性納米纖維包裹在可拉伸的纖維狀芯電極上而獲得的智能納米纖維感測紗線。這種織物傳感器具有精細的層次結(jié)構(gòu)，從一維宏觀紗線到亞微米彈性納米纖維和內(nèi)部納米碳管滲流網(wǎng)絡。該傳感器具有較大的接觸面積、多個接觸部位和較大的變形空間，可用于多種機械刺激的多模傳感，具有較高的靈敏度和較寬的傳感范圍?；诳椢锏膫鞲衅骺梢赃m應地附著在復雜的表面上，也可以集成到織物中，顯示出對動態(tài)人體運動的連續(xù)瞬態(tài)檢測和區(qū)分能力。此外，成功地集成了一個紡織品傳感平臺，用于壓力和應變分布的空間映射，使其成為電子紡織品和可穿戴設備的一個很有前途的候選平臺。

圖文導讀

圖1。制備多模式CNTs @ PU-NF紡織品傳感器。

圖2?；诩徔椘返腃NTs @ PU-NF傳感器的配置和簡化工作原理的示意圖。

圖3。壓力感應性能。

圖4。應變感應性能

圖5。彎曲應變傳感性能

圖6。利用可穿戴式CNTs @ PU-NF傳感器實時監(jiān)控人體運動。

圖7。CNTs @ PU-NF紡織物傳感平臺，用于壓力和應變測繪。

小結(jié)

綜上所述，我們提出了一種簡易的方法來制作一種可伸縮和多?？纱┐骺椢飩鞲衅?，該傳感器能夠檢測和區(qū)分壓力、拉伸和彎曲的多種機械刺激。多模織物傳感器是由智能納米纖維傳感紗線編織而成，這種紗線是通過將碳納米管與彈性聚氨酯納米纖維結(jié)合，然后通過簡單的靜電紡絲工藝包裹在可拉伸的纖維形芯電極上而開發(fā)的。該傳感器采用一維可編織紗線結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)紡織品集成后，可直接貼在人體皮膚上，戴在身上，可全方位監(jiān)控人體復雜的動態(tài)日常動作，如手指和手腕彎曲、臉頰隆起、語音識別和吞咽動作等，以及呼吸和脈搏的生理信號。我們進一步證明了NF-PU@碳納米管織物傳感平臺可以用于空間映射壓力和應變分布，即使是附著在曲線或變形表面上。可伸縮、多模、可穿戴的織物傳感器在可穿戴電子和智能紡織品應用方面有進一步發(fā)展的潛力。

文獻：