前言：

靜電紡絲被用于制備具有特定性能和結(jié)構(gòu)的納米纖維。這是一種特殊的纖維制造工藝，通過(guò)聚合物溶液或熔體在強(qiáng)電場(chǎng)中進(jìn)行噴射紡絲，可以生產(chǎn)出納米級(jí)直徑的聚合物細(xì)絲。這些納米纖維具有大比表面積、高孔隙率等特性，為各種應(yīng)用提供了可能。

靜電紡絲技術(shù)制備的柔性、可拉伸的電極和傳感器，為可穿戴設(shè)備的性能和舒適性提供了重要的技術(shù)支持。

此外，靜電紡絲制備的纖維被應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，這些纖維可用于組織工程支架、藥物緩釋、生物芯片等，為疾病治療和組織修復(fù)提供了新的手段。此外，靜電紡絲纖維也在空氣過(guò)濾、水過(guò)濾、鋰離子電池隔膜等方面得到應(yīng)用，展示了其在環(huán)保和能源領(lǐng)域的潛力。

中山大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院周建華教授/喬彥聰助理教授團(tuán)隊(duì)，清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授團(tuán)隊(duì)在信息技術(shù)與材料交叉領(lǐng)域重要期刊《InfoMat》上發(fā)表了題為《Micromesh Reinforced Strain Sensor with High Stretchability and Stability for Full-range and Periodic Human Motions Monitoring》的研究論文。

1、摘要：

本文通過(guò)使用SEBS微米織物強(qiáng)化激光直寫(xiě)石墨烯（Laser-scribed graphene, LSG)片層與柔性基底之間的界面結(jié)合以及柔性基底的拉伸性能，設(shè)計(jì)了一種具有高拉伸性和穩(wěn)定性的微米織物增強(qiáng)應(yīng)變傳感器（micromesh reinforced strain sensor, MRSS）。一方面?zhèn)鞲衅鞯母呃煨詽M(mǎn)足了全范圍人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的需求，另一方面?zhèn)鞲衅鞯母叻€(wěn)定性確保了連續(xù)采集周期性信號(hào)的一致性，結(jié)合不同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)了多種呼吸狀態(tài)和手勢(shì)的高準(zhǔn)確率智能識(shí)別，該工作在智能健康管理和人機(jī)交互等應(yīng)用領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大潛力。

2、研究背景：

文章提到的研究背景主要聚焦于應(yīng)變傳感器的發(fā)展需求，特別是那些具有高可拉伸性和穩(wěn)定性的應(yīng)變傳感器。隨著可穿戴電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)其全范圍和長(zhǎng)期使用的目標(biāo)變得至關(guān)重要。而應(yīng)變傳感器作為可穿戴電子設(shè)備中的關(guān)鍵組件，其性能直接影響到設(shè)備的使用效果和壽命。

傳統(tǒng)的應(yīng)變傳感器往往難以同時(shí)滿(mǎn)足高可拉伸性和穩(wěn)定性的要求，這在一定程度上限制了可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展和應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)具有高可拉伸性和穩(wěn)定性的應(yīng)變傳感器成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

在此背景下，文章提出了一種新型的電阻式微網(wǎng)格增強(qiáng)應(yīng)變傳感器（MRSS），該傳感器結(jié)合了激光刻蝕石墨烯（LSG）層和兩個(gè)嵌入在Ecoflex中的苯乙烯-聚（乙烯-丁烯）-苯乙烯微網(wǎng)格層。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予了MRSS優(yōu)異的可拉伸性、穩(wěn)定性和靈敏度，使其能夠滿(mǎn)足可穿戴電子設(shè)備對(duì)高性能應(yīng)變傳感器的需求。

MRSS結(jié)構(gòu)示意圖

3、技術(shù)亮點(diǎn)：

首先，文章介紹了一種具有高延展性和穩(wěn)定性的電阻式微網(wǎng)增強(qiáng)應(yīng)變傳感器（MRSS）。這種傳感器結(jié)合了激光刻蝕石墨烯（LSG）層和嵌入在Ecoflex中的兩個(gè)苯乙烯-聚（乙烯-丁烯）-苯乙烯微網(wǎng)層，形成了一種獨(dú)特的微網(wǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得MRSS具備了高延展性（達(dá)到120%的拉伸率）、出色的穩(wěn)定性（在11000次循環(huán)后重復(fù)誤差僅為0.8%）以及卓越的靈敏度（在超過(guò)100%的拉伸率下，其應(yīng)變系數(shù)高達(dá)2692）。

其次，文章詳細(xì)闡述了MRSS具有高延展性和穩(wěn)定性的機(jī)制。這種機(jī)制主要得益于微網(wǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，它有效地分散了應(yīng)變過(guò)程中的應(yīng)力，防止了裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，從而提高了傳感器的耐用性和穩(wěn)定性。

此外，文章還提出了一種基于LSG層結(jié)構(gòu)和裂紋形態(tài)的多層有限元模型。該模型用于研究MRSS的應(yīng)變傳感行為和失效機(jī)制，有助于進(jìn)一步理解和優(yōu)化傳感器的性能。

制備過(guò)程各階段樣品SEM照片

為了獲得最佳性能的傳感器，研究團(tuán)隊(duì)基于不同靜電紡絲時(shí)間（1、2和3 h）制備了具有不同厚度微米織物層的傳感器（MRSS-1、MRSS-2和MRSS-3）。結(jié)果顯示，MRSS-2性能最佳，具有寬工作范圍（120%）、低檢測(cè)限（0.02%）、高靈敏度（100-120%應(yīng)變范圍內(nèi)GF=2692）和高穩(wěn)定性（11000次拉伸循環(huán)）。令人驚訝的是，傳感器在拉伸形變達(dá)到300%后人不會(huì)損壞，在工作范圍內(nèi)仍能使用。此外，傳感器對(duì)于不同應(yīng)變頻率的響應(yīng)具有良好一致性。 

MRSSs的電機(jī)械性能。

為了探究MRSS-2高拉伸性和穩(wěn)定性的機(jī)理，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)置了三種不同結(jié)構(gòu)的傳感器（E[L]、SLS和ESLSE）作為對(duì)照組。傳感器的拉伸性主要取決于導(dǎo)電通路在大應(yīng)變下是否連通，而穩(wěn)定性則與導(dǎo)電材料與柔性基底之間的界面結(jié)合以及柔性基底拉伸性能密切相關(guān)。結(jié)果表明，微米織物的存在是MRSS-2具備高拉伸性和穩(wěn)定性的主要原因，微米織物穿插在部分石墨烯片層之間，增強(qiáng)了導(dǎo)電材料與柔性基底的界面結(jié)合；Ecoflex的浸潤(rùn)是次要原因，Ecoflex浸潤(rùn)使得導(dǎo)電材料與柔性基底的界面結(jié)合得到進(jìn)一步強(qiáng)化，并與微米織物復(fù)合增強(qiáng)了柔性基底的拉伸性能。強(qiáng)化的界面結(jié)合一方面使得MRSS-2在大拉伸應(yīng)變下產(chǎn)生了連續(xù)均勻且密集的裂紋，確保了導(dǎo)電通路的連通性而賦予了傳感器高拉伸性；另一方面與強(qiáng)化的柔性基底發(fā)揮協(xié)同作用，賦予了傳感器高穩(wěn)定性。

基于傳感器的優(yōu)異性能，傳感器在人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、智能健康管理和人機(jī)交互領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的潛力。MRSS-2優(yōu)異的拉伸性使得其能夠滿(mǎn)足全范圍人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)的需求。更進(jìn)一步，柔性可穿戴傳感器與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法結(jié)合是未來(lái)傳感器發(fā)展的趨勢(shì)之一。算法通常根據(jù)信號(hào)特征進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別，為了實(shí)現(xiàn)高分類(lèi)準(zhǔn)確率，需確保采集的信號(hào)具有高度一致性，這與傳感器的穩(wěn)定性關(guān)系密切?；趥鞲衅鞯母叻€(wěn)定性，研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)信號(hào)類(lèi)型的不同選擇了兩種不同結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來(lái)識(shí)別多種呼吸狀態(tài)和手勢(shì)，分類(lèi)準(zhǔn)確率分別高達(dá)94.29%和100%。 

MRSS-2用于全范圍人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)及協(xié)同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)多種呼吸狀態(tài)和手勢(shì)的智能識(shí)別

4、結(jié)論：

文章提到的結(jié)論是關(guān)于一種高度可拉伸且穩(wěn)定的可穿戴電阻式應(yīng)變傳感器的設(shè)計(jì)與表現(xiàn)。

該傳感器基于微網(wǎng)格增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)，采用電紡絲法制備的SEBS微網(wǎng)格和Ecoflex作為柔性基底，以及通過(guò)激光刻劃得到的層狀LSG作為導(dǎo)電材料。為了獲得最佳性能的傳感器，文章設(shè)置了三種不同電紡絲時(shí)間的傳感器進(jìn)行對(duì)比，其中MRSS-2表現(xiàn)最佳。

通過(guò)與不同結(jié)構(gòu)的傳感器進(jìn)行比較，文章闡明了MRSS-2具有高拉伸性和穩(wěn)定性的機(jī)制。激光產(chǎn)生的高溫氣化使LSG薄片膨脹并包裹微網(wǎng)格，微網(wǎng)格增強(qiáng)了導(dǎo)電材料與柔性基底之間的界面相互作用。導(dǎo)電通路的增強(qiáng)不僅使傳感器在拉伸過(guò)程中通過(guò)形成連續(xù)且均勻的裂紋實(shí)現(xiàn)高拉伸性，還賦予了傳感器高穩(wěn)定性。Ecoflex封裝器件并與微網(wǎng)格形成復(fù)合柔性基底，進(jìn)一步提高了傳感器的拉伸性和穩(wěn)定性。

綜上所述，該研究的結(jié)論在于成功設(shè)計(jì)和制備了一種基于微網(wǎng)格增強(qiáng)的可穿戴電阻式應(yīng)變傳感器，該傳感器具有高度的拉伸性、穩(wěn)定性和靈敏度，能夠應(yīng)用于人體全范圍運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)以及智能健康管理等領(lǐng)域。

中山大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院是論文第一單位，中山大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院碩士研究生劉海東是文章的第一作者，中山大學(xué)周建華教授和喬彥聰助理教授是論文的通訊作者、清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授，該研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)青年基金、深圳市科技計(jì)劃、深圳市優(yōu)秀科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)項(xiàng)目、清華大學(xué)北京信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家研究中心開(kāi)放課題、廣東省傳感技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。

論文鏈接: 

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/inf2.12511