近年來，各種智能可穿戴設(shè)備被廣泛應(yīng)用于人機交互、運動監(jiān)測和醫(yī)療健康等領(lǐng)域，其中大應(yīng)變傳感器是監(jiān)測變形的關(guān)鍵元器件，可以實現(xiàn)對人體運動信號的全范圍監(jiān)測，包括呼吸、脈搏、肌肉運動以及各關(guān)節(jié)處的運動。然而傳統(tǒng)應(yīng)變片的測量范圍一般在5%以內(nèi)，不能滿足目前的需求。用于智能穿戴設(shè)備中的大應(yīng)變傳感器應(yīng)具備以下幾種基本特征：（1）測量范圍廣。為了監(jiān)測人體關(guān)節(jié)處的大變形，應(yīng)變傳感器的傳感范圍一般需達(dá)50%。（2）適當(dāng)大的靈敏度。這有利于測量微小變形，避免較大的測量誤差。（3）高重復(fù)性。這是應(yīng)變傳感器對循環(huán)拉伸變形做出準(zhǔn)確響應(yīng)的關(guān)鍵。（4）魯棒性。包括可水洗性、耐磨性、對微缺陷不敏感以及能承受極端載荷的能力。（5）低造價和可連續(xù)生產(chǎn)的能力。（6）在特殊應(yīng)用場景下的其他重要性能，如高線性度、快速響應(yīng)時間、低松弛和溫度不敏感等。經(jīng)過科研人員的不懈努力，大量的大應(yīng)變傳感器應(yīng)運而生。

目前廣泛研究的大應(yīng)變傳感器主要包括以下三種：（a）裂紋基應(yīng)變傳感器。這種傳感器通常具有較大的靈敏度和測量范圍，但是由于裂紋的隨機性和裂紋間接觸關(guān)系的不穩(wěn)定性導(dǎo)致重復(fù)性不理想。（b）織物類應(yīng)變傳感器。這種傳感器相對于裂紋基應(yīng)變傳感器具有較為穩(wěn)定的接觸關(guān)系，但是織物間相互約束較弱、容易滑移和松弛，從而影響信號的穩(wěn)定性。（c）無接觸電阻式應(yīng)變傳感器。此前研究者提出的無接觸電阻式應(yīng)變傳感器具有良好的線性度和重復(fù)性，但是其靈敏度較低（約0.005）。因此，研制一種測量范圍廣、靈敏度適當(dāng)高、重復(fù)性高、能連續(xù)生產(chǎn)的大應(yīng)變傳感器具有重要意義和挑戰(zhàn)性。

近日，中科院力學(xué)所蘇業(yè)旺研究員團隊設(shè)計并制備了一種高性能、可量產(chǎn)的確定性接觸電阻式編織結(jié)構(gòu)大應(yīng)變傳感器（如圖1）。在這一編織結(jié)構(gòu)中，滌綸纖維將銀纖維與乳膠絲基底緊緊捆綁到一起形成“Y”形結(jié)構(gòu)，這避免了拉伸過程中纖維間的滑移從而使得應(yīng)變傳感器具有較高的重復(fù)性（重復(fù)性誤差3.74%）。得益于這種特殊的編織結(jié)構(gòu)，該應(yīng)變傳感器具有適當(dāng)高的靈敏度（靈敏系數(shù)可達(dá)140）和較大的測量范圍（50%）。此外，為了更深入地研究該應(yīng)變傳感器的傳感機理，還建立了相關(guān)的力-電耦合模型，所得理論結(jié)果與實驗結(jié)果一致（如圖2）。該編織結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳感器還具有高魯棒性、響應(yīng)時間快（128ms）及對溫度不敏感等性能（圖3）。如圖4所示，該應(yīng)變傳感器可應(yīng)用于運動姿態(tài)的監(jiān)測與矯正、醫(yī)療康復(fù)以及人機交互等領(lǐng)域。同時，這種編織結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳感器具有低成本、可連續(xù)化生產(chǎn)的特點，這對實現(xiàn)真正的“落地化”生產(chǎn)與應(yīng)用具有重要意義。

圖1 編織結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳感器制備過程及照片。（a）傳感器制備過程，（b）傳感器宏觀與微觀照片，（c）傳感器的拉伸、彎折和扭轉(zhuǎn)。

圖2 傳感器的傳感性能與機理。（a）應(yīng)變傳感器相對電阻變化與施加應(yīng)變關(guān)系的實驗與理論結(jié)果對比，（b）應(yīng)變傳感器在50%應(yīng)變作用下進(jìn)行40000次循環(huán)測試，（c）40000次循環(huán)加載前后各5次實驗結(jié)果，（d）不同施加應(yīng)變作用下應(yīng)變傳感器微觀結(jié)構(gòu)的SEM圖，（e）傳感器的電、力模型示意圖。

圖3 應(yīng)變傳感器的動態(tài)性能及魯棒性。（a）傳感器對小應(yīng)變的響應(yīng)，（b）應(yīng)變傳感器的響應(yīng)/恢復(fù)時間，（c）加載速度對傳感器信號響應(yīng)的影響，（d）溫度對傳感器信號的影響，（e）扭轉(zhuǎn)對傳感器的影響，（f）水洗對傳感器的影響，-（g）微缺陷對傳感器信號的影響，（h）具有1-mm微缺陷的傳感器在50%應(yīng)變下的2000次循環(huán)加卸載。

圖4 編織應(yīng)變傳感器的代表性應(yīng)用。（a）傳感器與健身衣的集成，（b）正確與錯誤健身姿態(tài)下傳感器的響應(yīng)，（c）傳感器對脈搏信號的測量，（d）傳感器對頸部康復(fù)運動的監(jiān)測，（e）傳感器對膝關(guān)節(jié)康復(fù)運動的監(jiān)測，（f）由該傳感器制備的智能手套對機械手掌的遠(yuǎn)程控制。

該研究成果以“Stretchable Strain Sensors based on Deterministic-Contact-Resistance Braided Structures with High Performance and Capability of Continuous Production”為題發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《Advanced Functional Materials》。論文第一作者為中科院力學(xué)所博士生李居曜，通訊作者為中科院力學(xué)所蘇業(yè)旺研究員。參與該工作的還有本課題組已畢業(yè)的李爽博士。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院從0到1原始創(chuàng)新計劃、中國科學(xué)院交叉學(xué)科創(chuàng)新團隊和中組部WRQB人才計劃等項目的支持。

論文信息：
DOI: 10.1002/adfm.202208216

審核編輯 ：李倩