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  近年來，柔性可穿戴應(yīng)變傳感器在健康醫(yī)療監(jiān)測(cè)、人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)控以及人機(jī)交互等領(lǐng)域得到了巨大的關(guān)注。雖然在文獻(xiàn)中報(bào)道的柔性應(yīng)變傳感器一般可拉伸從而能監(jiān)測(cè)人體的運(yùn)動(dòng)，但它們與皮膚的接觸會(huì)受到人體運(yùn)動(dòng)的影響而并不能總是與皮膚形成良好的共形接觸，因此會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的噪音。尤其是在凹形的皮膚表面或是皮膚會(huì)形成凹面的運(yùn)動(dòng)，傳感器甚至?xí)糠峙c皮膚表面分離，從而無法準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)人體的運(yùn)動(dòng)，甚至產(chǎn)生虛假的信號(hào)。這些噪音及虛假的信號(hào)嚴(yán)重的限制了柔性可穿戴傳感器的實(shí)際應(yīng)用。

  針對(duì)這一問題，新加坡國(guó)立大學(xué)歐陽建勇教授課題組發(fā)明了一種可以總是與皮膚保持良好接觸的柔性可拉伸應(yīng)變傳感器。該器件具有粘附層和感應(yīng)層兩層結(jié)構(gòu)，粘附層為具有生物相容性的水性聚氨酯(WPU， 圖1)，感應(yīng)層為石墨烯/碳納米管的水性聚氨酯復(fù)合物。粘附層能保證該器件在人體運(yùn)動(dòng)過程中總是與皮膚形成良好的共形接觸，準(zhǔn)確地跟隨皮膚的變形而變形。與其他非粘附的柔性可拉伸應(yīng)變傳感器相比較，這些器件能產(chǎn)生顯著低的噪音和高的質(zhì)量的信號(hào)。不論是肌肉運(yùn)動(dòng)這樣的小應(yīng)變，還是關(guān)節(jié)大范圍運(yùn)動(dòng)的大應(yīng)變，該傳感器都能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)并產(chǎn)生良好的信號(hào)。當(dāng)該粘附應(yīng)變傳感器被貼附在不平整或者不規(guī)則皮膚表面時(shí)，其對(duì)信號(hào)質(zhì)量的提升更加明顯。此外，該傳感器還能夠用于同時(shí)監(jiān)測(cè)來自兩個(gè)不同方向的運(yùn)動(dòng)，這是普通非粘附的應(yīng)變傳感器所做不到的。

圖1. （a）可粘附柔性應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，包括頂層感應(yīng)層以及底部的粘附層。（b）粘附水性聚氨酯（aWPU）的化學(xué)結(jié)構(gòu)。（c）aWPU的硬段及軟段成分。（d）aWPU硬段域及軟段域的微觀結(jié)構(gòu)示意圖。（e）硬段含量為25%、30%、35%及40%的aWPU照片。（f）aWPU-25%, aWPU-30%, aWPU-35% 和 aWPU-40%分散液的動(dòng)態(tài)光散射圖譜。

  如圖2，當(dāng)用于監(jiān)測(cè)食指彎曲運(yùn)動(dòng)時(shí)，可粘附應(yīng)變傳感器所產(chǎn)生的信號(hào)光滑且穩(wěn)定，相反，非粘附的應(yīng)變傳感器所產(chǎn)生的信號(hào)較為雜亂，且有明顯的噪音。這是因?yàn)榭烧掣絺鞲衅骺偸强梢院推つw表面形成良好的共形接觸，從而顯著降低噪音，而非粘附的應(yīng)變傳感器與皮膚的接觸容易收到運(yùn)動(dòng)的影響。

圖2. 傳感器在食指上的位置（a）示意圖及（b）照片。（c）當(dāng)食指彎曲時(shí)可粘附傳感器（右）和非粘附傳感器（左）所產(chǎn)生的信號(hào)。

  該研究小組還對(duì)比了當(dāng)關(guān)節(jié)多方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，該粘附應(yīng)變傳感器較普通非粘附應(yīng)變傳感器的優(yōu)勢(shì)。比如，當(dāng)腕關(guān)節(jié)向下彎曲時(shí)，皮膚表面形成凸面，非粘附應(yīng)變傳感器能夠跟隨彎曲角度的不同產(chǎn)生不同的電阻信號(hào)，然而當(dāng)腕關(guān)節(jié)向上彎曲形成凹面時(shí)，非粘附傳感器將會(huì)與皮膚表面分離，從而不產(chǎn)生信號(hào)。然而該干粘附應(yīng)變傳感器對(duì)不論是哪個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，都能產(chǎn)生高質(zhì)量的信號(hào)，且靈敏度更高。

圖3. （a）可粘附應(yīng)變傳感器和非粘附應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)凸向運(yùn)動(dòng)及凹向運(yùn)動(dòng)的示意圖。（b）腕關(guān)節(jié)向下彎曲形成凸表面，向上彎曲形成凹表面。（c）可粘附應(yīng)變傳感器和（d）非粘附應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)腕關(guān)節(jié)不同彎曲角度時(shí)的信號(hào)響應(yīng)。（e）可粘附應(yīng)變傳感器和（f）非粘附應(yīng)變傳感器連續(xù)監(jiān)測(cè)腕關(guān)節(jié)彎曲時(shí)的信號(hào)響應(yīng)。

  該成果以” Wearable stretchable dry and self-adhesive strain sensors with conformal contact to skin for high-quality motion monitoring”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上，通訊作者為歐陽建勇教授，第一作者為來自浙江大學(xué)的訪問博士王珊。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202007495