基于3D导电材料的柔性应力/应变传感器

范路洁; 陈莉; 何崟; 刘皓

doi:10.7536/PC200616

化学进展 ›› 2021, Vol. 33 ›› Issue (5) :767-778 DOI: 10.7536/PC200616

研究论文

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基于3D导电材料的柔性应力/应变传感器

范路洁 ¹ ,
陈莉 ¹ ,
何崟 ¹ ,
刘皓 ¹^,²^,^*

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Flexible Pressure/Strain Sensors Based on 3D Conductive Materials

Lujie Fan ¹ ,
Li Chen ¹ ,
Yin He ¹ ,
Hao Liu ¹^,²^,^*

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摘要

柔性应力/应变传感器作为智能可穿戴设备的重要组成部分,在人体运动检测、健康监测、机器人和电子皮肤等方面得到了广泛应用。其中,3D导电材料(如气凝胶、海绵和泡沫等)不仅拥有3D互连微结构,还具有优异的可压缩性和导电性,在一定程度上解决了传感器同时拥有高灵敏度和宽检测限的难题。本文根据制备3D导电材料的原材料将其划分为生物质材料、碳材料、聚合物材料、金属纳米材料以及MXene材料五种类型;并总结了3D导电材料的制备方法及其在传感器应用领域的创新与发展;最后讨论了基于3D导电材料的柔性应力/应变传感器的发展前景。

Abstract

As an important part of intelligent wearable device, flexible pressure/strain sensors are widely used in human motion detection, health monitoring, robot and electronic skin. Among them, 3D conductive materials(such as aerogels, sponges and foams) have 3D interconnection microstructures and have excellent compressibility and conductivity, which bring a breakthrough that enables sensors to have high sensitivity and wide range. According to the raw materials for the preparation of 3D conductive materials, this article divides them into five types: biomass materials, carbon materials, polymer materials, metal nanomaterials, and MXene materials. Then, the preparation methods of 3D conductive materials and their innovation and development in the field of sensor applications are summarized. Finally, the prospect of flexible strain/pressure sensors based on 3D materials is discussed.

Contents

1 Introduction

2 Basic characteristics of flexible strain/pressure sensors

3 Preparation of 3D material and its application in flexible strain/pressure sensors

3.1 3D biomass materials

3.2 3D carbon materials

3.3 3D polymer materials

3.4 3D metal nanomaterials

3.5 3D Mexene materials

4 Application

5 Conclusion and prospect

Graphical abstract

关键词

3D导电材料 / 柔性应力/应变传感器 / 人体监测 / 电子皮肤和机器人

Key words

3D conductive materials / flexible pressure/strain sensors / human monitoring / electronic skin and robots

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范路洁, 陈莉, 何崟, 刘皓. 基于3D导电材料的柔性应力/应变传感器[J]. 化学进展, 2021, 33(5): 767-778 DOI:10.7536/PC200616

Lujie Fan, Li Chen, Yin He, Hao Liu. Flexible Pressure/Strain Sensors Based on 3D Conductive Materials[J]. Progress in Chemistry, 2021, 33(5): 767-778 DOI:10.7536/PC200616

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1 引言

柔性应力/应变传感器具有多种潜在应用,如个性化健康监测、人体运动检测、电子皮肤和机器人等,其需求不断增长^{[1⇓⇓⇓~5]}。这些柔性传感器可以集成到电子设备中,或者连接到服装和皮肤上,通过检测脉搏压力、面部表情等与人体活动相关的细微压力,监测人体的健康状况^{[6⇓⇓⇓~10]}。柔性应力/应变传感器可将机械变形(如拉伸或压缩)转化为电信号,大多数都是基于三种转换机制开发的:电阻式^[11⇓~13]、电容式^[14,15]和压电式^[16,17]。压力改变时,上述传感器的电阻、电容、电压会发生相应的变化。本文介绍的柔性应力/应变传感器主要以电容式和电阻式为主。

在实际应用中,柔性应力/应变传感器需要具有高灵敏度、高稳定性和宽检测限。为了进一步提高传感器的性能,研究者已经从材料和结构等方面做出努力。已经报道了多种几何微结构的传感器,如金字塔结构^[18]、互锁结构^[19]、半球型结构^[20]、皱纹结构^[21,22]和不规则模板结构^[23,24]等,在一定程度上提高了传感器的灵敏度和检测限,但是存在价格昂贵、制备过程复杂等缺点。而3D导电材料,如气凝胶、海绵、泡沫等,由于其本身的导电互连网络结构和优异的可压缩性,在受力时导电互连网络结构能够感知较小的压力,产生更多的接触或分离,从而得到较高灵敏度的传感器。同时,3D导电材料能承受较大的变形,并相应地产生连续变化的电信号,从而在较宽的压力范围内保持良好的灵敏度,在传感器领域的发展前景备受关注^{[25⇓⇓~28]}。基于三维材料的柔性应力/应变传感器传感示意如图1所示。

2 柔性应力/应变传感器的基本特征

柔性应力/应变传感器结构通常包括敏感元件、电极和导线,敏感元件的性能对传感器起着决定性作用。优异的机械弹性、压缩性和良好的导电性是用于柔性应力/应变传感器敏感元件的基本要求。

3D导电材料具有高孔隙率、低密度、大比表面积和优异的可压缩性和导电性,其种类繁多、制备方法简单、性能优异,是当今材料科学领域的研究热点之一。近年来,制备3D导电材料的原材料主要集中在可碳化导电的生物质材料^[29⇓~31]、碳材料^[32⇓~34]、聚合物材料^[35⇓~37]、金属纳米材料^[38⇓~40]以及MXene^[41⇓~43]等。制备方法主要包括两种类型:(1)通过溶胶-凝胶法结合冷冻干燥法将一种或多种材料混合组装成气凝胶。在凝胶中掺杂导电材料可以直接获得导电气凝胶,也可以采用碳化法或涂覆导电材料的方法赋予其导电性。利用冷冻干燥法制备气凝胶时,凝胶中的液体被空气取代,微结构得以保留。(2)将导电材料直接涂覆在3D海绵上,例如在市售聚氨酯(PU)海绵上涂覆纤维素纳米纤维@炭黑(CNF@CB)导电层,得到具有高灵敏度和多功能的3D多孔结构的压力传感器^[44]。3D导电材料作为柔性传感材料在一定程度上解决了同时拥有高灵敏度和宽检测限的难题^[45]。

柔性应力/应变传感器,有几个主要性能参数,包括灵敏度、检测限、稳定性和响应时间。灵敏度是评测传感器的重要指标之一,它决定了传感器的测量精度,可以由规格因子GF和灵敏度S表示。灵敏度计算公式如下:

(1)

GF = Δ X - X 0 Δε

(2)

S = Δ X - X 0 Δ P

其中ΔX为电阻或电容的变化量,

X 0

为初始电阻或初始电容, Δε为应变变化量,ΔP为压强的变化量。压力传感器的检测限是指传感器所能稳定检测到的压力范围,包括最低检测限和最高检测限。根据实际应用的需要,例如人体脉压和足压的检测,就需要传感器具有较宽的检测范围。稳定性包括重复性和重复性误差,传感器的重复性越高,重复性误差越小,其稳定性越高。响应时间是指传感器从受力到开始响应过程中消耗的最短时间,响应时间越短,传感器越灵敏。

本文将对近几年国内外报道的基于3D导电材料的柔性应力/应变传感器进行综述。按照制备原材料将其划分为生物质材料、碳材料、聚合物材料、金属纳米材料以及MXene材料五种类型,针对五种类型的传感器的制备方法、性能及应用进行总结介绍,并讨论了该领域的挑战和未来应用前景。

3 3D材料的制备及其在柔性应力/应变传感器的应用

3.1 3D生物质材料

随着地球上能源的枯竭,可再生的生物质材料(如纳米纤维素、木材、细菌纤维素等)由于其独特的生物相容性、可持续性、低毒性和可再生性,成为了研究新型功能材料的关键部分。生物质气凝胶材料具有制备工艺简单、成本低廉、机械性能优良等特色,已被广泛应用于吸附、超级电容器、能量储存、传感器等领域^[46⇓~48]。表1总结了近年来的基于3D生物质气凝胶材料的柔性应力/应变传感器,包括制备方法、传感方式、灵敏度、最低检测限和检测范围、重复性等指标。

3.1.1 纳米纤维素纤维气凝胶

纳米纤维素纤维表面存在大量羟基,通过氢键分子内和分子间的物理交联,可以获得稳定的3D网络结构。但氢键的存在使其难溶于一般溶剂,可通过机械方法例如高压匀质、大功率超声分散等物理方法使其均匀分散。也可采用TEMPO^[49]氧化法,使羟基分子羧基化,削弱氢键作用力,促进机械分解。随后,利用溶胶-凝胶法结合超临界干燥法或冷冻干燥法制得具有3D网络结构的气凝胶。

过去的几十年里,许多采用自下而上的方法提取纤维素纳米纤维,如Zhou等^[50]从纯稻草中通过TEMPO氧化和机械共混法分离得到CNF,其表面丰富的羧基与氢键与导电聚(3,4-乙烯二氧基噻吩)/聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT/PSS)中PSS的SO₃H基团氢键结合,质子化形成具有高导电网络结构的PEDOT/PSS/CNF气凝胶,图2(a)为PEDOT/PSS/CNF气凝胶的制备流程。实验表明,PEDOT/PSS/CNF气凝胶的导电性比纯PEDOT/PSS气凝胶高10倍。根据纤维素的不同溶解体系,Luo等^[51]将纤维素溶解在氢氧化钠/尿素溶液中,加入质量分数为的4%精梳棉和80%的Na₂SO₄溶液作为增强纤维和成孔剂,在最佳条件下冷冻干燥得到纤维素气凝胶。随后,吡咯在纤维素气凝胶上原位聚合,得到导电聚吡咯/纤维素气凝胶压力传感器,在压缩过程中灵敏度最高达到58.9 kpa^-1。

3.1.2 木材碳海绵

与上述方法不同的是,2018年,Chen等^[53]通过可扩展可持续的自上而下的方法,首次通过简单的化学处理和高温碳化直接将天然轻木处理成高度轻量化可压缩、导电的木材碳海绵并将其应用到传感器领域,但是该应变传感器未能检测到人类脉冲。利用木头的不同结构,Huang等^[45]同样用简单的化学方法和碳化工艺处理轻木,通过泵送将PDMS灌送到木海绵的通道里,将刚性非导电大块木材转化为柔性和导电的碳/硅复合材料,实现了高灵敏度(10.74 kpa^-1)、宽线性范围(高达100 kpa)、快速响应时间(20 ms)和良好的工作稳定性(13 000次循环试验中变化小于2.89%)的柔性压力传感器,能够准确连续测量脉搏和呼吸。

3.1.3 细菌纤维素气凝胶

细菌纤维素(BC),是一种具有超细纳米结构、高结晶度、高纯度、良好柔韧性和高拉伸强度的天然生物量。与天然纤维素相比,BC不含半纤维素、木质素等杂质,纯化简单。Hosseini等^[54]采用超临界CO₂法将原位生物合成的BC/多壁碳纳米管(MWCNT)纳米复合水凝胶转化为导电纳米复合气凝胶,制备了可用于监测人体运动的应变传感器。该应变传感器的GF为21,响应时间390 ms。虽然BC具有优异的性能,但是其制备过程过于繁琐、耗时。

3.1.4 多糖气凝胶

壳聚糖(CS)、魔芋葡甘聚糖(KGM)等都被用作制备气凝胶并应用于柔性应力/应变传感器。例如,Liu等^[55]采用溶液混合和冷冻干燥法用CS/炭黑制备了超轻、多孔高电导性复合海绵,可以用来检测不同的发声。实验表明,复合海绵的抗压模量和抗压强度随炭黑用量的增加而增加,但是炭黑含量的增加会导致溶液的黏度增加,在海绵的制备过程中不易倒入模具。为了提高生物质气凝胶的压缩性和弹性,也可以添加无机纳米材料作为气凝胶骨架。Ding等^[52]采用静电纺丝技术得到柔性SiO₂纳米纤维,与KGM混合制备的具有序蜂窝状结构的超弹性碳质纳米纤维气凝胶,其SEM图像见图2(b)。该气凝胶具有极低密度(0.14 mg/cm³),将其制备成压力传感器检测限低至10 pa。

3.2 3D碳材料

碳材料一直是人类文明进步过程中不可或缺的资源。碳材料及其衍生材料的高效合成与应用也在不断推动着科技的进步和提高人类的生活质量。为了克服粉体碳材料在实际应用方面的缺陷,3D块状的石墨烯气凝胶(GA)、碳纳米管气凝胶(CA)及其复合气凝胶应运而生。但是由于碳的脆性,当施加高压缩应变时其抗疲劳能力通常是有限的。为了实现碳材料气凝胶的可压缩性,已经开发了多种方法,如化学气相沉积法^[56]、冷冻干燥法^[57⇓~59]、去模板法^[60]、3D打印法^[61]和化学键合法^[62]制备可压缩碳气凝胶并将其应用到传感器领域。表2总结了基于3D碳材料的柔性应力/应变传感器。

3.2.1 石墨烯气凝胶

石墨烯气凝胶具有良好的导电性和机械柔性,在传感领域引起了众多研究者的关注。但是,由于气凝胶中的石墨烯薄片之间的π-π相互作用和范德华力导致石墨烯薄片聚集,石墨烯气凝胶回弹性差。

为了提高石墨烯气凝胶的柔韧性,可以将一些柔性高分子材料与石墨烯薄片结合成3D多孔结构。Huang等^[57]通过添加羧甲基纤维素改善石墨烯气凝胶的压缩性能,石墨烯薄片和羧甲基纤维素链之间存在强氢键相互作用,高温退火后形成稳定的导电网络,表现出稳定的高弹性。Zhou等^[58]研制了一种与纤维素纳米晶体和尿素这些低分子量碳前体结合的石墨烯气凝胶。如图3(a)所示,波状rGO层之间巨大的空间保证了高压缩性,低分子量碳前体与rGO之间产生强烈的相互作用(碳焊)形成能够可逆压缩的柔性层,其压缩应变高达到99%,可以检测到0.25 Pa的微小变化。Zhang等^[60]采用了一种简单快速地去除PU模板的方法获得了氧化还原石墨烯气凝胶,该气凝胶完全复制了PU海绵的内部结构。除此之外,同济大学Zu等^[63]报告了前所未有的超疏水氧化还原石墨烯(rGO)/聚有机硅氧烷气凝胶。该气凝胶具有珊瑚状的三维网络结构,实现了单一材料同时检测温度、应变和压力的柔性多功能传感器的制备。

3.2.2 碳纳米管气凝胶

最初的碳纳米管气凝胶是由化学气相沉积法制备的,然而高成本和副产物的毒性限制了其应用。采用溶胶-凝胶法制备碳纳米管气凝胶时,由于碳纳米管的表面能较高,碳纳米管容易发生团聚,可以将碳纳米管通过超声波分散到含有表面活性剂(十二烷基苯磺酸钠)的溶液中,实现均匀分散^[64]。Chen等^[62]采用化学键合法制备了聚酰亚胺(PI)/CNT气凝胶,PI的前驱体(PAA)具有丰富的官能团有利于与碳纳米管发生强烈的分子界面作用,实现碳纳米管在水中的良好分散。该气凝胶拥有超高灵敏度(11.28 kPa^-1),检测限低至10 Pa,快速响应时间为50 ms,恢复时间为70 ms。PI/CNT气凝胶传感器可以用于监测各种人体运动和制作电子皮肤。

3.2.3 石墨烯、碳纳米管复合气凝胶

碳纳米管和石墨烯单独做气凝胶时,弹性都比较差。而碳纳米管与石墨烯复合会产生一种协同作用,既保持了sp²杂化的纯碳组分,又拥有极低的密度。Peng等^[59]采用双向冻结的方法,研制出了一种多层拱状结构且具有优异力学性能的CNT/rGO/CNF碳气凝胶。实验证明CNF的存在有助于获得连续有序排列的波浪形碳层,CNT的连接效应可以显著提高碳层的机械强度。浙江大学高超等^[61]采用3D打印法将均匀GO-Mwcnt凝胶墨水通过一个可移动的喷嘴(直径约250 μm)挤出并沉积到程序控制的3D结构中,实现了纯碳多孔材料可拉伸气凝胶的制备,如图3(b)所示。所制备的碳气凝胶抗疲劳能力强,拉伸率可达200%,使用循环次数能高达10⁶次。

3.3 3D聚合物材料

和天然高分子材料相比,高分子合成材料可以根据需求满足各种功能性的需要。柔性聚合物在柔性传感器领域通常作为传感器的柔性基底使用,常用的柔性聚合物包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)^[65]、聚乙烯醇(PVA)、PU^[66,67]、热塑性聚氨酯(TPU)^[68]等。采用冷冻干燥法、静电纺丝法、模板法、3D打印法等可将聚合物材料转换成3D材料。表3总结了基于3D聚合物材料的柔性应力/应变传感器。

在众多高聚物中,PDMS因其优异的性能,在传感器领域应用广泛。图4展示了利用方糖、聚苯乙烯球(PS)、3D打印法制备的PDMS海绵SEM图像。从图像可以看出PDMS的可塑性很强,可以制备成各种孔结构的海绵。

除此之外,Kou等^[14]把NH₄HCO₃粉末作为致孔剂掺杂在PDMS/GR复合材料中(在高温下NH₄HCO₃受热分解成气体),制备了具有均匀气孔的导电PDMS海绵电容式压力传感器。Huang等^[69]采用冷冻干燥法制备了PVA/铜纳米线(CuNW)复合气凝胶,压缩应变达到60%并具有可调灵敏度(0.267~0.04 kpa^-1)。为了研究铜纳米线与聚合物之间的胶合作用机理以及更好地理解CuNW-PVA复合材料为何具有良好的力学性能,他们采用分子动力学方法模拟了复合材料模型的应力应变行为。Sang等^[68]通过简单的热成型法将碳纳米结构(CNS)和TPU粉末与市面上的爆米花盐混合,然后采用水辅助去盐法制备复合多孔海绵,如图5所示。所获得的TPU/CNS海绵传感器具有高达60%的线性应变范围,GF为1.5。由于TPU多孔海绵的支撑形成了稳定的导电通路,因此具有可逆的压阻性能。

通过涂覆、离子溅射、碳化等方法可赋予3D柔性聚合物材料优异的导电性。Zhang等^[66]采用简单的浸渍工艺获得了CNF/AgNW涂层的导电PU海绵。通过改变浸渍次数,可以有效地调节导电海绵的电导率和力学性能,该海绵具有在0~80%的压缩应变范围内检测运动大小的能力。Wu等^[67]采用离子溅射技术制备导电镀金PU海绵,通过不同的预压缩应变获得可调裂纹密度的压力传感器。商用三聚氰胺泡沫(MF)是一种环保材料,密度在9.87±0.1 mg·cm^-3范围内,孔隙率高于99%^[74]。碳化后的MF由独特的3D互联三角碳网络与小部分断裂的碳纤维组成,具有丰富的微孔和中孔结构,制备成柔性压力传感器可以实时、可靠地检测人体的运动^[70]。

3.4 3D金属纳米材料

由于金属纳米线和纳米颗粒具有良好的导电性能,在柔性传感器领域中被用作导电材料。近年来,CuNWs、AgNWs、金纳米线(AuNWs)被成功合成并应用于不同领域,其中制备CuNWs的原材料分布相对广泛且成本较低^[75]。金属纳米材料不仅可以作为导电材料涂覆在3D材料上,还可以通过自组装形成3D多孔材料。表4总结了基于3D金属纳米材料的柔性应力/应变传感器。

Weng等^[76]采用简单涂覆工艺在市售PU海绵上涂覆AgNW制备了在拉伸、压缩、弯曲等形变下都具有良好信号响应的柔性传感器。在涂覆AgNW前,通过热压缩引入了屈曲结构并对海绵支架进行了聚多巴胺(PDA)改性以提高纳米线与支架之间的结合力。所得导电海绵具有显著的变形性、导电性和稳定性,还展示了有趣的负泊松比,可以满足人体柔软曲线的多尺度力学要求。Zhao等^[77]提出了一种基于热感的新型可伸缩压力传感器,采用多层多孔PDMS/银纳米片(AgNP)海绵作为压电热传导介质。该传感器具有很高的灵敏度,检测限低至4.1 Pa,检测范围宽至200 kPa。该压力传感器与温度传感器集成一体,可实现温度补偿。

Xu等^[78]采用一步法成功制备了CuNW气凝胶,首次提出了“气泡控制组装”机制,实现了铜纳米线气凝胶孔结构和密度(4.3~7.5 mg·cm^-3)的可调。在形成水凝胶的过程中,具有大纵横比的一维纳米线相互累积并相互联接,在冷冻干燥后形成坚固的自组装海绵。随后,用CuNWs气凝胶制备了具有可调灵敏度(0.02~0.7 kPa^-1)的超轻柔性压力传感器。实验证实孔结构和密度与传感器的性能有很大的关系,但是,该传感器的弹性模量较小,只能检测210 pa以内的微压,应用范围受限。此外,CuNWs虽然具有与AgNWs相当的光电性能,但极易在空气中氧化。为此,Wu等^[79]将合成的CuNW与水溶性聚乙烯吡咯烷酮(PVP)混合后冷冻干燥组装成3D气凝胶,原位退火后附着在单根CuNW上的PVP转换成一层薄薄的石墨烯保护层,由此构成的独特CuNW@graphene核-壳结构纳米骨架构建了三维多孔气凝胶。因为石墨烯外壳是疏水的,可以作为氧气和水分子有效屏障,有利于气凝胶性能的稳定。同时,Meng等^[80]通过简单的电化学置换反应,在不使用任何加热、搅拌和还原剂的情况下,获得了具有最佳抗氧化性能的核壳型Cu-AgNWs。受生物材料的启发,他们提出了一种基于仿珍珠的“砖浆”结构的高灵敏度、可伸缩的应变传感器,以rGO和Cu-AgNWs为“砖”,以可伸缩的聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯-丁二烯嵌段(SBS)为“浆”,成功制备了仿珍珠导电复合材料。该复合材料应用于拉伸传感器具有宽传感范围(374%)、高灵敏度(GF高达87 362)。

3.5 3D Mxene材料

MXene是一种新型的二维(2D)材料,具有大的亲水表面、优异的热稳定性、易操作性和高导电性等优点。通过刻蚀MAX相可以制备MXene,调节刻蚀方法可以有效地控制晶体的形态,形成纳米颗粒、单层或多层纳米片。研究表明,MXene及其复合材料显示出优异的柔韧性和延展性,使其在可穿戴传感器、储能、电化学催化和电磁屏蔽等领域得到广泛应用^{[81⇓⇓⇓~85]}。表5总结了基于3D MXene材料的柔性应力/应变传感器。

Ma等^[86]发现Ti₃C₂的电导率随层间距离的变化而变化,这使得它成为一种很有前途的压阻传感器材料。然而,由于长径比较低以及MXene片层之间的弱相互作用,很难将MXene纳米片组装成具有理想力学性能和传感性能的连续宏观结构。为了解决这一问题,Zhuo等^[87]利用纤维素纳米晶体(CNCs)作为纳米支撑,将MXene纳米薄片连接成具有超强机械性能和超高线性灵敏度的片状碳气凝胶。MXene和CNCs之间的相互作用产生了一种超稳定的波状片层结构。它能够经受95%的极高压缩应变和长期压缩(10 000个循环,50%应变),展示了极高的灵敏度(114.6 kPa^-1)和广泛的线性范围(50 Pa~10 kPa)。他们还利用BC作为纳米粘结剂,将MXene纳米片连接成层状结构,制造出具有极高机械和传感性能的碳气凝胶,其超高的结构稳定性可以承受99%的应变、超过100个循环^[88]。

Yue等^[89]使用PU海绵作为柔性基底,通过涂覆工艺制备了MXene海绵,具有147 kpa^-1的高灵敏度、9 pa的低检测限、138 ms的快速响应时间和10 000个循环的耐用性。MXene海绵传感器可以实时监测人体生理信号(如呼吸、关节运动和脉搏)。为了增强MXene片与海绵骨架之间的界面相互作用,Li等^[90]采用CS处理PU海绵,得到带正电荷的CS@PU海绵。然后涂覆带负电荷的MXene薄片。CS处理后的PU海绵可以覆盖更多的MXene片,拥有更高的导电性。MXene@CS@PU海绵传感器具有良好的可逆性,可以承受5000次压缩循环,即使在水中清洗后仍具有良好的传感性能,表明其具有良好的机械和环境稳定性。Zhu等^[91]将带负电的MXene纳米片通过静电自组装自发地包裹在带正电的PS球表面。在剧烈搅拌下将MXene/PS球加入氧化石墨烯(GO)溶液中。MXene/PS/GO混合物冷冻干燥后,在氩气气氛下450 ℃退火去除PS球模板,制备了一种基于空心MXene球/rGO复合气凝胶的新型压阻传感器。

4 应用

近年来,我国人口老龄化问题日益严峻,老年人的健康监测问题引起了极大的社会关注度。将传感器应用于医疗行业是一个简单有效的方法,在减少医疗压力的同时还可预防和实时监测老年人的健康问题。为了探索传感器在医疗设备中的应用,Huang等^[45]将制备的传感器贴在人体手腕上采集动脉脉搏信号,并集成到绷带上监测胸部的呼吸信号。如图6(a,b)所示,该传感器可以分辨出三个不同的脉冲压力峰值(P₁、P₂、P₃)。在生理上,受动脉僵硬程度影响,增强指数(AI_r= P₂/P₁)一般随年龄增加而增加。根据计算出的增强指数可以推测一个人的生理年龄。此外,应用于绷带上的传感器捕捉到的呼吸信号与标准商业生理监测系统测量的呼吸信号一致,可用于气胸的早期诊断。如图6(e~f)所示,柔性应力/应变传感器还可以用来检测人体运动、识别声音以及脸部的表情。可穿戴传感器从人体收集生理数据,如:呼吸频率、心跳、运动等,通过无线网络将数据传输到医疗中心、医生及家属等,可在紧急情况下进行医疗救助^[92]。

柔性应力/应变传感器的另一个重要应用方向是电子皮肤和机器人^[94,95]。为了模拟人体皮肤的多个触觉感受器,可将传感器与柔性基底结合组装成传感阵列。研究不同传感模块的柔性多功能压力传感器,能够从复杂的环境中识别多种刺激。如图7(a)所示,Zu等^[63]将传感阵列贴在装有热水的透明玻璃杯表面,可以直观地看到测量杯的温度分布。将昆虫放置在平面传感阵列上可以清晰地监测昆虫的爬行轨迹。但是,目前基于3D导电材料的柔性应力/应变传感器功能过于单一且存在着一定的厚度,在实际使用过程中还存在着很多挑战需要我们不断地创新研究。柔性应力/应变传感器可以集成在不同的机器人系统中,如假肢、抓手、移动机器人和机器人触手的传感系统中。如图7(b)所示,Sencadas等^[95]将制备的传感器放置在机器手上,当机器手抓取物体时传感器受力电阻减小,物体释放后传感器的电阻恢复到原来的值。机器手可以抓取不同形状和纹理的物体。Zhang等^[96]根据机器手的形状制作了传感器样品,用绝缘良好的黑色莱卡面料为它缝制了一件“外套”作为保护层。值得一提的是,传感器的形状可以根据需要制作成任何形状。通过实验可以得到该传感器的电容值,该值作为动作停止的阈值。根据编写的抓放程序,机器手可自动进行抓放实验。3D智能传感材料将传感和驱动结合到一起,为设计新型机器人提供了机会,以挑战传统机电系统存在的局限性。

5 结论与展望

近几年,研究人员在基于3D导电材料的柔性应力/应变传感器的研究中取得了巨大的进展。本文综述了近年来基于3D导电材料的柔性应力/应变传感器的最新研究进展,将其划分为生物质材料、碳材料、聚合物材料、金属纳米材料以及MXene材料五种类型并介绍了相关的制备方法。大量实验表明,3D导电材料对柔性应力/应变传感器灵敏度和检测限等性能具有显著的提升作用。此外,还介绍了传感器在人体健康监测、运动检测、电子皮肤和机器人方面的应用。

基于3D导电材料的柔性应力/应变传感器由于其特殊的3D互连微结构在柔性可穿戴领域中显示出诸多优势,但是实现同时具有高灵敏度和宽检测限的柔性应力/应变传感器仍然是一个很大的挑战。根据人工智能、生物医学等领域的应用需求,未来基于3D导电材料的柔性应/应变传感器的发展趋势主要表现在以下几个方面。首先,制备具有宽检测限的高灵敏度传感器仍然是必要的。其次,为了实现柔性应力/应变传感器在正常生活中的广泛应用,还需要我们努力开发低成本、高性能和能批量生产的柔性应力/应变传感器。解决供电和信号传输问题的同时实现产品的便携性、美观性和实用性。最后,为了满足电子皮肤领域的应用要求,研制能够同时检测各种物理量的传感器阵列显得尤为重要,赋予柔性应力/应变传感器多功能性是一个迫在眉睫的问题。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

国家自然科学基金项目(51473122)

中国博士后科学基金项目(2016M591390)

天津市自然科学基金面上项目(18JCYBJC18500)

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Received	Published	Revised
2020-06-05	2021-05-20	2020-09-02
Online Date
2020-12-22

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