過去二十年來，技術(shù)創(chuàng)新的快速和指數(shù)級發(fā)展將人類生活與數(shù)字世界深度融合，這在很大程度上得益于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)（CPS）的廣泛采用。在物聯(lián)網(wǎng)和CPS最有前景的應用中，可穿戴傳感器已成為一種變革性技術(shù)，固定在人體上（無論是軟皮膚、剛性關(guān)節(jié)還是各種服裝），將人類的刺激（如應變、壓力、濕度、溫度）轉(zhuǎn)換為電信號，通過物聯(lián)網(wǎng)和CPSs反映呼吸率、心率、體溫和身體運動等關(guān)鍵信息，以判斷呼吸系統(tǒng)疾病、生活壓力和情緒、體育鍛煉量等。迄今為止，相當多的研究集中在電阻式應變傳感器的進步上，并且已經(jīng)闡述了許多揭示應變傳感材料電阻變化的基本傳感機制。代表性機制包括塊體材料的幾何形狀變化、導電膜/層的納米/微裂紋擴展、納米級導電網(wǎng)絡(luò)或微結(jié)構(gòu)接觸的斷開/滑動以及導電填料之間的隧道效應。線性通常由線性回歸分析得出的決定系數(shù)（R2）量化，是應變傳感器的關(guān)鍵參數(shù)。高線性表明應變傳感器可以更精確地反映電信號與施加應變之間的比例關(guān)系。然而，電阻式應變傳感器在較寬的應變范圍內(nèi)（如0-100%或更寬的范圍）通常表現(xiàn)出非線性電響應或分段線性行為，這是由于導電路徑的微觀結(jié)構(gòu)變化和接觸故障引起的，因為傳感材料在拉伸過程中經(jīng)歷了從均勻狀態(tài)到非均勻狀態(tài)的形態(tài)轉(zhuǎn)變。非線性信號會導致測量不準確，從而增加設(shè)計成本和信號處理電路的復雜性，因為需要額外的數(shù)據(jù)校準和補償。實際上，追求優(yōu)異的線性意味著擴大傳感材料的線性響應范圍。

為了提高傳感器的線性范圍，人們一直在努力構(gòu)建穩(wěn)定和高密度的導電網(wǎng)絡(luò)，以確保連續(xù)的導電路徑。例如，P?tschke及其同事開發(fā)了一種由聚偏二氟乙烯和聚丁二酸丁二醇酯的不同晶相及其混合非晶相組成的共混基質(zhì)。非晶相局部化的多壁碳納米管（MWCNT）形成了一個高效的導電網(wǎng)絡(luò)，在整個導電聚合物復合材料（CPC）的屈服點附近保持穩(wěn)定。該策略將相對電阻變化的線性范圍（ΔR/R0，定義為[R-R0]/R0，其中R表示瞬時電阻（Ω），R0對應于初始電阻（Ω。Liu及其同事設(shè)計了一種由Ti3C2TxMXene、Ag納米線（AgNWs）和液態(tài)金屬（LM）組成的高性能應變傳感器，在0-100%的寬應變范圍內(nèi)表現(xiàn)出卓越的線性（R2=0.98157）和3.22的GF（應變因子，定義為ΔR/（R0ε），其中ε是應變）值。該架構(gòu)設(shè)計的特點是AgNW在MXene片材之間形成互連網(wǎng)絡(luò)，LM相保持較低的電阻，充當搭接MXene/AgNW復合物的導電橋，并為整個導電網(wǎng)絡(luò)提供穩(wěn)定的接口，有效地提高了傳感器的可拉伸性和線性檢測范圍。劉和他的同事在三種材料系統(tǒng)中設(shè)計了一種新型的雙應變分層結(jié)構(gòu)：多壁碳納米管/聚氨酯（PU）薄膜，多壁碳納米納米管/明膠-聚乙烯醇（PVA）復合薄膜和多壁碳碳納米管/硅橡膠芯鞘纖維。在拉伸變形過程中，隨著一個導電層內(nèi)微裂紋的逐漸萌生，其電阻顯著增加。然而，并聯(lián)連接的完整層保持了連續(xù)的導電通路，有效地補償了受損的導電性。這種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計確保了在擴展的應變范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的導電網(wǎng)絡(luò)，從而顯著降低了應變傳感器中通常與裂紋擴展相關(guān)的快速電阻上升。

纖維基材料（如長絲、紗線、織物）具有良好的柔韌性和優(yōu)異的機械變形能力，如拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)，這使它們能夠很容易地集成并附著在人體、服裝和其他不平坦的物體表面上。導電組件的加入賦予了纖維基材料獨特的電響應特性，從而顯著擴展了它們作為可穿戴傳感器在各個領(lǐng)域的潛在應用，包括但不限于實時健康監(jiān)測、精確運動檢測和先進的人機界面技術(shù)。與其他CPC類似，導電纖維也面臨著平衡靈敏度（以電阻變化為特征）和信號線性的基本挑戰(zhàn)。值得注意的是，具有固有靈活性的纖維基材料具有獨特的優(yōu)勢，因為它們可以通過先進的紡織加工技術(shù)（如編織、針織、織造和熱粘合）被設(shè)計成不同的層次結(jié)構(gòu)，從而能夠定制其機電性能和功能特性。例如，胡和同事們通過在氨綸上纏繞和熱粘合尼龍絲設(shè)計了一種雙螺紋結(jié)構(gòu)，然后用PVA改性，用CNT浸漬六次，然后封裝Ecoflex。所獲得的應變傳感器表現(xiàn)出寬的線性范圍（0-100%），R2為0.991。

本文亮點

1. 本工作為了抑制非線性電阻浪涌，提出了通過將一根聚吡咯/聚氨酯長絲（外長絲）與另外兩根（芯長絲）編織成礁結(jié)結(jié)構(gòu)來構(gòu)建雙應變自適應導電通道。

2. 外絲和芯絲之間的結(jié)構(gòu)差異賦予了所獲得的礁結(jié)傳感繩（RKSR）對拉伸的雙重應變響應，從而在PPy層上引起差異裂紋擴展。外絲和芯絲的平行連接為形成自適應導電通道鋪平了道路，這使得RKSR的電阻線性增加。

3. RKSR具有優(yōu)異的線性（0-100%應變的R2=0.998，0-600%應變的R2>0.999）、令人滿意的檢測限（0.75-800%）、較高的相對分辨率（0.09375%）、快速的響應時間（120 ms）和良好的往復穩(wěn)定性（10000次循環(huán)）。

4. RKSR還可以適應各種拉伸速率（0.15-40 mm s-1），并可以集成到瑜伽服中，以監(jiān)測練習者在體式執(zhí)行過程中的姿勢順應性和呼吸模式，這表明其潛在的多樣化應用（例如，術(shù)后康復和運動評估）。

圖文解析

圖1. 設(shè)計、結(jié)構(gòu)、等效電路、制造和應用以及工作機理的說明。（a）RKSR在拉伸和被拉伸之前的結(jié)構(gòu)以及相應的等效電路。（b）RKSR的制造和應用。（c）具有自適應導電通道的RKSR的工作機制。（d）RKSR的線性響應描述。（e）RKSR的實物照片，展示了其出色的柔韌性和延展性。

圖2. RKSR（C2O1）在（a1–a5）0%、（b1–b5）25%、（c1–c5）75%、（d1–d5）125%、（e1–e5）175%和（f1–f5）225%應變下的SEM圖像。

圖3. RKSR傳感器的應變傳感性能。（a–d）在0–25%、0–50%、0–75%、0–100%的應變范圍內(nèi)（拉伸速率為5 mm s-1時）的電阻變化和線性。（e）響應時間和恢復時間（在20 mm s-1的拉伸速率下）。（f）電阻變化以及3%的增量應變階躍（在5 mm s-1的拉伸速率下）。（g，h）RKSR對各種應變和拉伸速率的反應。（i）50%應變下往復10000次循環(huán)的高循環(huán)耐久性試驗（拉伸速率為5 mm s-1）。

圖4. 雷達圖將RKSR的傳感性能與報道的主要基于聚吡咯、聚氨酯或一些常見材料的最先進應變傳感器進行了比較。

圖5. RKSR對（a）肘部、（b）手腕、（c）手指、（d）膝蓋、（e）點頭、（f）揚起眉毛、（g）微笑和（h）呼吸的運動檢測能力。

圖6. 帶有集成RKSR的瑜伽服，用于檢測練習姿勢。（a）電阻變化和（b）在拉伸至50%應變30秒的四個循環(huán)中RKSR的應力。（d）將RKSR集成到瑜伽服中的應用場景的說明。（e–g）三種練習姿勢的檢測信號。

來源：柔性傳感及器件