武汉纺织大学：双应变自适应导电通道赋予传感绳（RKSR）超高线性度、宽工作范围和瑜伽体式监测能力-电子发烧友网

过去二十年来，技术创新的快速和指数级发展将人类生活与数字世界深度融合，这在很大程度上得益于物联网（IoT）和网络物理系统（CPS）的广泛采用。在物联网和CPS最有前景的应用中，可穿戴传感器已成为一种变革性技术，固定在人体上（无论是软皮肤、刚性关节还是各种服装），将人类的刺激（如应变、压力、湿度、温度）转换为电信号，通过物联网和CPSs反映呼吸率、心率、体温和身体运动等关键信息，以判断呼吸系统疾病、生活压力和情绪、体育锻炼量等。迄今为止，相当多的研究集中在电阻式应变传感器的进步上，并且已经阐述了许多揭示应变传感材料电阻变化的基本传感机制。代表性机制包括块体材料的几何形状变化、导电膜/层的纳米/微裂纹扩展、纳米级导电网络或微结构接触的断开/滑动以及导电填料之间的隧道效应。线性通常由线性回归分析得出的决定系数（R2）量化，是应变传感器的关键参数。高线性表明应变传感器可以更精确地反映电信号与施加应变之间的比例关系。然而，电阻式应变传感器在较宽的应变范围内（如0-100%或更宽的范围）通常表现出非线性电响应或分段线性行为，这是由于导电路径的微观结构变化和接触故障引起的，因为传感材料在拉伸过程中经历了从均匀状态到非均匀状态的形态转变。非线性信号会导致测量不准确，从而增加设计成本和信号处理电路的复杂性，因为需要额外的数据校准和补偿。实际上，追求优异的线性意味着扩大传感材料的线性响应范围。

为了提高传感器的线性范围，人们一直在努力构建稳定和高密度的导电网络，以确保连续的导电路径。例如，P?tschke及其同事开发了一种由聚偏二氟乙烯和聚丁二酸丁二醇酯的不同晶相及其混合非晶相组成的共混基质。非晶相局部化的多壁碳纳米管（MWCNT）形成了一个高效的导电网络，在整个导电聚合物复合材料（CPC）的屈服点附近保持稳定。该策略将相对电阻变化的线性范围（ΔR/R0，定义为[R-R0]/R0，其中R表示瞬时电阻（Ω），R0对应于初始电阻（Ω。Liu及其同事设计了一种由Ti3C2TxMXene、Ag纳米线（AgNWs）和液态金属（LM）组成的高性能应变传感器，在0-100%的宽应变范围内表现出卓越的线性（R2=0.98157）和3.22的GF（应变因子，定义为ΔR/（R0ε），其中ε是应变）值。该架构设计的特点是AgNW在MXene片材之间形成互连网络，LM相保持较低的电阻，充当搭接MXene/AgNW复合物的导电桥，并为整个导电网络提供稳定的接口，有效地提高了传感器的可拉伸性和线性检测范围。刘和他的同事在三种材料系统中设计了一种新型的双应变分层结构：多壁碳纳米管/聚氨酯（PU）薄膜，多壁碳纳米纳米管/明胶-聚乙烯醇（PVA）复合薄膜和多壁碳碳纳米管/硅橡胶芯鞘纤维。在拉伸变形过程中，随着一个导电层内微裂纹的逐渐萌生，其电阻显著增加。然而，并联连接的完整层保持了连续的导电通路，有效地补偿了受损的导电性。这种创新的结构设计确保了在扩展的应变范围内保持稳定的导电网络，从而显著降低了应变传感器中通常与裂纹扩展相关的快速电阻上升。

纤维基材料（如长丝、纱线、织物）具有良好的柔韧性和优异的机械变形能力，如拉伸、弯曲、扭转，这使它们能够很容易地集成并附着在人体、服装和其他不平坦的物体表面上。导电组件的加入赋予了纤维基材料独特的电响应特性，从而显著扩展了它们作为可穿戴传感器在各个领域的潜在应用，包括但不限于实时健康监测、精确运动检测和先进的人机界面技术。与其他CPC类似，导电纤维也面临着平衡灵敏度（以电阻变化为特征）和信号线性的基本挑战。值得注意的是，具有固有灵活性的纤维基材料具有独特的优势，因为它们可以通过先进的纺织加工技术（如编织、针织、织造和热粘合）被设计成不同的层次结构，从而能够定制其机电性能和功能特性。例如，胡和同事们通过在氨纶上缠绕和热粘合尼龙丝设计了一种双螺纹结构，然后用PVA改性，用CNT浸渍六次，然后封装Ecoflex。所获得的应变传感器表现出宽的线性范围（0-100%），R2为0.991。

本文亮点

1. 本工作为了抑制非线性电阻浪涌，提出了通过将一根聚吡咯/聚氨酯长丝（外长丝）与另外两根（芯长丝）编织成礁结结构来构建双应变自适应导电通道。

2. 外丝和芯丝之间的结构差异赋予了所获得的礁结传感绳（RKSR）对拉伸的双重应变响应，从而在PPy层上引起差异裂纹扩展。外丝和芯丝的平行连接为形成自适应导电通道铺平了道路，这使得RKSR的电阻线性增加。

3. RKSR具有优异的线性（0-100%应变的R2=0.998，0-600%应变的R2>0.999）、令人满意的检测限（0.75-800%）、较高的相对分辨率（0.09375%）、快速的响应时间（120 ms）和良好的往复稳定性（10000次循环）。

4. RKSR还可以适应各种拉伸速率（0.15-40 mm s-1），并可以集成到瑜伽服中，以监测练习者在体式执行过程中的姿势顺应性和呼吸模式，这表明其潜在的多样化应用（例如，术后康复和运动评估）。

图文解析

图1. 设计、结构、等效电路、制造和应用以及工作机理的说明。（a）RKSR在拉伸和被拉伸之前的结构以及相应的等效电路。（b）RKSR的制造和应用。（c）具有自适应导电通道的RKSR的工作机制。（d）RKSR的线性响应描述。（e）RKSR的实物照片，展示了其出色的柔韧性和延展性。

图2. RKSR（C2O1）在（a1–a5）0%、（b1–b5）25%、（c1–c5）75%、（d1–d5）125%、（e1–e5）175%和（f1–f5）225%应变下的SEM图像。

图3. RKSR传感器的应变传感性能。（a–d）在0–25%、0–50%、0–75%、0–100%的应变范围内（拉伸速率为5 mm s-1时）的电阻变化和线性。（e）响应时间和恢复时间（在20 mm s-1的拉伸速率下）。（f）电阻变化以及3%的增量应变阶跃（在5 mm s-1的拉伸速率下）。（g，h）RKSR对各种应变和拉伸速率的反应。（i）50%应变下往复10000次循环的高循环耐久性试验（拉伸速率为5 mm s-1）。