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  近年來，柔性可穿戴應變傳感器在健康醫(yī)療監(jiān)測、人體運動監(jiān)控以及人機交互等領域得到了巨大的關(guān)注。雖然在文獻中報道的柔性應變傳感器一般可拉伸從而能監(jiān)測人體的運動，但它們與皮膚的接觸會受到人體運動的影響而并不能總是與皮膚形成良好的共形接觸，因此會產(chǎn)生較為嚴重的噪音。尤其是在凹形的皮膚表面或是皮膚會形成凹面的運動，傳感器甚至會部分與皮膚表面分離，從而無法準確地監(jiān)測人體的運動，甚至產(chǎn)生虛假的信號。這些噪音及虛假的信號嚴重的限制了柔性可穿戴傳感器的實際應用。

  針對這一問題，新加坡國立大學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變傳感器。該器件具有粘附層和感應層兩層結(jié)構(gòu)，粘附層為具有生物相容性的水性聚氨酯(WPU， 圖1)，感應層為石墨烯/碳納米管的水性聚氨酯復合物。粘附層能保證該器件在人體運動過程中總是與皮膚形成良好的共形接觸，準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。不論是肌肉運動這樣的小應變，還是關(guān)節(jié)大范圍運動的大應變，該傳感器都能準確監(jiān)測并產(chǎn)生良好的信號。當該粘附應變傳感器被貼附在不平整或者不規(guī)則皮膚表面時，其對信號質(zhì)量的提升更加明顯。此外，該傳感器還能夠用于同時監(jiān)測來自兩個不同方向的運動，這是普通非粘附的應變傳感器所做不到的。

圖1. （a）可粘附柔性應變傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，包括頂層感應層以及底部的粘附層。（b）粘附水性聚氨酯（aWPU）的化學結(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%分散液的動態(tài)光散射圖譜。

  如圖2，當用于監(jiān)測食指彎曲運動時，可粘附應變傳感器所產(chǎn)生的信號光滑且穩(wěn)定，相反，非粘附的應變傳感器所產(chǎn)生的信號較為雜亂，且有明顯的噪音。這是因為可粘附傳感器總是可以和皮膚表面形成良好的共形接觸，從而顯著降低噪音，而非粘附的應變傳感器與皮膚的接觸容易收到運動的影響。

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

  該研究小組還對比了當關(guān)節(jié)多方向運動時，該粘附應變傳感器較普通非粘附應變傳感器的優(yōu)勢。比如，當腕關(guān)節(jié)向下彎曲時，皮膚表面形成凸面，非粘附應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，然而當腕關(guān)節(jié)向上彎曲形成凹面時，非粘附傳感器將會與皮膚表面分離，從而不產(chǎn)生信號。然而該干粘附應變傳感器對不論是哪個方向的運動，都能產(chǎn)生高質(zhì)量的信號，且靈敏度更高。

圖3. （a）可粘附應變傳感器和非粘附應變傳感器監(jiān)測關(guān)節(jié)凸向運動及凹向運動的示意圖。（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）可粘附應變傳感器和（d）非粘附應變傳感器監(jiān)測腕關(guān)節(jié)不同彎曲角度時的信號響應。（e）可粘附應變傳感器和（f）非粘附應變傳感器連續(xù)監(jiān)測腕關(guān)節(jié)彎曲時的信號響應。

  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的訪問博士王珊。

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