西北工业大学：关于柔性可穿戴应变传感器的研究进展

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西工大新闻网4月27日电（高久伟）柔性可穿戴电子系统作为新型的便携式电子设备，在人机交互、状态监测、医疗保健等领域具有广泛的应用。性能优越的可穿戴电子系统通常需要坚韧的材料来保证其耐用性和稳定性。由于纤维状的电子材料更易于集成到可穿戴设备中，且具有优良的结构灵活性，从而成为可穿戴电子系统中必不可少的基本组件。然而，制备兼具较高机械强度和优异拉伸性能的纤维材料仍然极具挑战。

图1 超强可拉伸纤维应变传感器

西北工业大学黄维院士团队王学文教授课题组与北京理工大学教授宋维涛合作，报道了一种可用于人体健康监测的柔性纤维应变传感器( Adv. Mater. 2022, 2107511)。在这项工作中，研发团队巧妙地利用外层与内芯力学性能耦合的策略，以一种高强度、高弹性的新型聚氨酯（PU）作为导电纤维传感器的内芯，极大的增强了纤维应变传感器的力学性能，实现了同时具备高力学强度和优异拉伸性能的柔性纤维传感器，解决了机械性能与拉伸性能难以兼容的难题。此外，还利用静电纺丝技术实现了不同直径纤维传感器的可控制备，并通过微纤维网络结构以及封装层的共同作用，极大的降低了纤维传感器的恢复迟滞性。

新型纤维应变传感器同时具有优异的应变范围（~700%）和较高的拉伸强度（~17.6 MPa）。在应变检测中表现出高灵敏度和超高的应变分辨率（0.0075%），且可实现对0-40Hz低频振动信号的精准监测。研发团队将高性能纤维应变传感器植入到衣服中，研制了柔性可穿戴智能健康监测系统，该智能电子服装可实现对身体震颤、脉搏、呼吸、手势及6种人体运动姿态的实时监测。该成果将有助于推动健康评估与疾病诊断技术向智能化、高效化、精准化等方向发展，为改进和提升医疗信息传递、处理的效率和质量提供新的思路，促进远程医疗、“无人”医疗、智慧医疗等变革性医疗技术的发展，为智能时代的实现提供重要的技术储备。

图2 超强可拉伸纤维应变传感器性能表征及人体健康监测应用

图3 纤维进行超过700%的拉伸

图4 脉搏波监测

图5 跑步状态监测

上述工作得到了国家重点研发计划（2020YFB2008501）、国家自然科学基金（11904289，61960206007）、陕西省自然科学基金（2019JQ-613）、陕西省重点研发计划项目（2020ZDLGY04-08、2020GXLH-Z-027）、宁波市自然科学基金项目（202003N4003）、中央高校基本科研业务费、西北工业大学翱翔海外学者等经费的支持。

作者团队介绍：

西北工业大学黄维院士团队王学文教授课题组专注于柔性传感材料与器件相关研究，并探索其在特殊环境下的健康医疗、人机交互等战略新兴领域的应用。课题组瞄准解决柔性传感器与特殊环境适应性的矛盾，围绕“传感材料与系统的柔性化策略及电子调控机制”开展相关研究工作，已在Science Advances、Advanced Materials、JACS等学术期刊发表研究论文70余篇，相关研究成果被《央视新闻》、《科技日报》、《中国科学报》、Materials Today、Phys.org等多个国内外媒体和网站报道。已申请PCT专利和中国发明专利20余项，获授权中国发明专利10余项、获授权欧洲专利、美国专利、澳大利亚专利、日本专利各一项。