四川大學王竹卿教授/吳曉東研究員CEJ: 全織物基柔性壓力傳感器

一、研究背景：

柔性可穿戴壓力傳感器在多種新興領域扮演著重要角色，如可穿戴健康監測、柔性人機交互、人工電子皮膚、智能機器人等。然而，由于絕大多數柔性壓力傳感器是由透氣性較差的柔性或彈性聚合物基底組成的，這些傳感器難以被牢固且舒適地穿戴在人體上。此外，佩戴這些由聚合物基底制成的傳感器也會影響人體的透氣性和運動的自由度。這些問題限制了這類柔性壓力傳感器在可穿戴系統中的廣泛應用和規模化部署。相比之下，具有良好柔軟性、透氣性和對皮膚友好的全織物基的壓力傳感器可以被輕松牢固地集成于衣物中，并且不會犧牲人體的舒適度和限制人體的運動自由，在智能可穿戴設備中展現出巨大的應用前景。常見的全織物基壓力傳感器一般都是通過直接在織物表面沉積或涂覆導電納米材料制備導電織物，這使得涂覆的導電層與織物表面之間的界面附著力較弱。此外，剛性的導電層在經過反復的機械變形后也會產生裂紋。這些因素通常會導致壓力傳感器長期在惡劣環境下，如反復的機械彎曲、清洗等，傳感器的性能衰退甚至失效。因此，如何設計、構建一種具有良好機械魯棒性的全織物基壓力傳感器，具有重要的理論研究意義和實際應用價值。

二、文章簡介：

近日，四川大學機械工程學院的王竹卿教授和吳曉東研究員團隊通過合理的材料選擇、組分優化、結構設計和系統集成，提出了一種簡便、低成本和可擴展的方法來制備具有良好機械魯棒性的全織物基柔性壓力傳感器。將制備的全紡織壓力傳感器集成到不同的衣物中，成功實現了對各種人體生理活動信號的無線和實時監測，在智能電子織物和可穿戴設備中表現出良好的應用前景。相關成果以?“All textile-based robust pressure sensors for smart garments”?為題，發表在國際著名期刊《Chemical Engineering Journal》上（影響因子：16.7，中科院1區Top期刊），論文第一作者為四川大學機械工程學院2021級研究生劉奇同學。

三、研究內容：

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圖1. 全織物基柔性壓力傳感器的設計理念和制備過程。通過逐層堆疊組裝的方法將導電復合材料可控地涂覆在高彈性織物上得到頂部壓阻層；通過絲網印刷技術將彈性導電材料打印在柔性但非彈性的織物基板上得到底部電極層。最后通過簡單的縫紉得到最終的壓力傳感器。壓阻傳感層具有多孔結構和粗糙表面，可隨外界施加的壓力而變形和壓縮。基于此，頂部導電織物層與底部叉指電極層之間的導電通路會隨著施加壓力而增多。因此在兩個電極之間測量的電阻信號輸出也會隨外界施加壓力的變化而變化，從而實現壓力檢測功能。

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圖2. 全織物基柔性壓力傳感器頂部壓阻織物層和底部電極織物層的結構表征。?在制備導電壓阻織物過程中，通過逐層堆疊組裝將碳納米管導電網絡牢固地嵌入到彈性基體中，而不是直接涂覆在織物的紗線基底表面。該策略可大大增強導電材料與織物基底之間的附著力，使得織物基底上被牢固地涂覆了一層穩定的導電層，最終增強了傳感器的魯棒性。叉指電極由彈性導電碳墨制成，導電顆粒通過絲網印刷均勻地沉積在織物基底上。具有彈性導電電極的柔軟織物可以任意扭曲彎曲，而不會明顯降低其導電性，這進一步提高了傳感器的魯棒性。

圖3. 全織物基柔性壓力傳感器的響應行為和性能表征。通過合理的傳感材料選擇和傳感器結構設計，使得該傳感器具有優異的魯棒性和耐久性。與類似的織物基柔性壓力傳感器相比，該種全織物基柔性壓力傳感器表現出相當或甚至更好的傳感性能，且具有顯著的經濟性和規模化優勢。

圖4. 全織物基柔性壓力傳感器被集成到衣物上進行人體運動信號的監測。該種全織物基柔性壓力傳感器憑借其良好的傳感性能、透氣性和佩戴舒適性，極其適用于被穿戴到衣物上進行相關的人體活動信號監測。該全織物基柔性壓力傳感器在對不同的人體運動信號監測中展現出可靠和穩定的性能，在智能可穿戴設備中具有巨大的應用前景。

圖5. 在手套上集成了五個全織物基柔性壓力傳感器，用于監測物體抓握過程和手勢識別。本工作還研制了一款在每個手指上都集成了傳感器的智能手套，每根手指的彎曲信號可以被單獨精確地檢測和區分出來，成功監測了在抓握不同物體過程中的五個手指通道的實時信號變化。此外，由于不同的手勢對應的是五指彎曲狀態的不同組合，因此智能手套還可以精準、重復地監測出不同手勢對應的五指通道的信號相應情況，進而識別出不同的手勢含義。這些結果驗證了該全織物基柔性壓力傳感器在智能機器人的手勢識別和觸覺感知等應用方面的潛力。

四、結論與展望：

總之，本工作提出了一種具有良好綜合性能的全織物基柔性壓力傳感器。通過巧妙的材料選擇和傳感器結構設計，使得該傳感器具有優異的魯棒性和耐久性。該傳感器具有良好的透氣性和佩戴舒適性，可以被輕松集成到多種衣物中用于實時和無線監測各種人體的生理活動。本工作為未來智能電子織物和可穿戴智能系統的發展提供了一種可靠、可擴展和具有經濟效益的全織物基壓力傳感器的設計策略。

文獻鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894722057825