前沿 | 中山大学吴进课题组《Adv. Sci.》：用于可穿戴人机交互的有机水凝胶微球薄膜高性能应变传感器
可贴合在人体皮肤或衣服上的柔性应变传感器能够适应各种机械形变并实时将其转换为可检测的电信号，可广泛应用于运动监测、手势识别、生理信号监测等领域，在人机交互中发挥重要作用。目前应变传感器面临的最大挑战就是在一个器件中同时实现高的灵敏度和宽的应变检测范围。一般高灵敏度的应变传感器是基于刚性导电薄膜中裂纹的产生或网络结构中导电单元之间的分离来实现的，会导致体系电阻的急剧变化。然而，它们的应变检测范围极其有限（<5%），稍微大的形变就会导致传感层的破裂而失效。具有宽应变检测范围的应变传感器在近年来得到了广泛的报道，传感材料使用的是一些高度可拉伸的离子导电的水凝胶。体系电信号的变化归因于拉伸后水凝胶中离子传输路径的变长，即使将水凝胶与一些纳米导电材料混合后其灵敏度依然不是很理想。
启发于传统的裂纹应变传感器，中山大学吴进课题组首次利用由反相乳液聚合的聚丙烯酰胺（PAM）有机水凝胶微球薄膜形成的传感层基于弹性体薄膜-微球传感膜-弹性体薄膜的三明治薄膜器件结构制备了具有超高灵敏度的应变传感器，GF达到了1275，突破了目前水凝胶基传感器灵敏度的上限，探测下限也达到0.05%应变。这种电信号的巨大变化归因于在拉伸时组成传感膜的微球之间的分离以及感应层中裂纹的产生和扩展。由于上下两层弹性体薄膜的包裹，即使遭受较大的应变后，传感层仍然能恢复到初始状态，从而使传感器兼具宽的应变检测范围（100%）。除此之外，该传感器还表现出良好的抗疲劳性、低迟滞、良好的抗冻性和热稳定性。最终，它能够用于对各种人体各种活动的高灵敏探测，进行广泛的人机交互。由于Ecoflex薄膜的封装，该传感器还具有良好的耐水性，因此即使在水中也能进行准确、稳定和实时的运动监测。最后，将自主开发的无线传感器电路和APP和薄膜应变传感器相结合实现了呼吸暂停报警和单通道手势识别等穿戴式应用，展现出传感器在可穿戴电子和人机交互中的巨大应用前景。
图1 PAM有机水凝胶微球的制备流程以及基于有机水凝胶微球薄膜的应变传感器的设计和应用实例示意图。
图2 有机水凝胶微球传感器的应变传感机理及传感性能。
图3 有机水凝胶微球传感器的各种应用演示。
图4 基于有机水凝胶微球应变传感器的无线人机交互系统。
