第一作者：林靜（導(dǎo)師）
第二作者：李曄（學(xué)生）
共同通訊作者：林靜、胡德超、羅堅(jiān)義、劉嵐
背景介紹及內(nèi)容概述
柔性應(yīng)變傳感器長(zhǎng)期面臨靈敏度、線(xiàn)性度與檢測(cè)范圍難以協(xié)同優(yōu)化的核心瓶頸，實(shí)現(xiàn)高靈敏、高線(xiàn)性、寬量程一體化傳感，對(duì)推動(dòng)可穿戴電子、人機(jī)交互與健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。盡管基于裂紋、褶皺及多孔結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)柔性傳感器已被廣泛應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)與生理信號(hào)檢測(cè)，但這類(lèi)器件普遍存在高靈敏度與寬量程難以兼顧、大形變下線(xiàn)性度差的固有矛盾，導(dǎo)致輸出信號(hào)非線(xiàn)性失真嚴(yán)重、后期校準(zhǔn)復(fù)雜，難以滿(mǎn)足高精度穿戴監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)交互的嚴(yán)苛需求。因此，構(gòu)建兼具仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與高效傳感機(jī)制的新型柔性應(yīng)變傳感器，成為突破現(xiàn)有性能瓶頸的關(guān)鍵途徑。
近日，五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院、柔性傳感材料與器件研究開(kāi)發(fā)中心林靜博士與羅堅(jiān)義教授團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合佛山大學(xué)、華南理工大學(xué)，受皺葉莢蒾葉片不對(duì)稱(chēng)微結(jié)構(gòu)啟發(fā)，提出一種表面褶皺工程調(diào)控策略，成功構(gòu)筑仿生Janus彈性體應(yīng)變傳感器，實(shí)現(xiàn)了寬量程、超高線(xiàn)性的力學(xué)信號(hào)精準(zhǔn)檢測(cè)。該傳感器由致密微褶皺天然橡膠/石墨烯（NR/GRs）上層與疏松天然橡膠/碳納米管（NR/CNTs）下層復(fù)合而成，通過(guò)簡(jiǎn)便的逐層真空過(guò)濾與預(yù)拉伸策略實(shí)現(xiàn)可控制備。研究提出褶皺誘導(dǎo)微裂紋、應(yīng)變分區(qū)響應(yīng)、并聯(lián)導(dǎo)電通路三階段協(xié)同傳感新機(jī)制，借助模量梯度設(shè)計(jì)與界面應(yīng)力調(diào)控，成功實(shí)現(xiàn)傳感器在全量程范圍內(nèi)的電阻線(xiàn)性穩(wěn)定輸出。經(jīng)系統(tǒng)測(cè)試，該傳感器在0-100% 應(yīng)變范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超高線(xiàn)性響應(yīng)（R2>0.999），同時(shí)具備高靈敏度（靈敏度系數(shù)GF>14）、超寬檢測(cè)量程（＞400%）、極低檢測(cè)下限（0.1%）以及快速響應(yīng)/恢復(fù)特性（分別為0.16 s與0.16 s）；并可在1000次循環(huán)加載下保持優(yōu)異的穩(wěn)定性與可靠性。在人體脈搏、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、面部表情等生理信號(hào)的高精度監(jiān)測(cè)，以及智能手套手勢(shì)識(shí)別、人機(jī)交互與機(jī)械臂協(xié)同控制等場(chǎng)景中，該傳感器均已得到有效驗(yàn)證，充分顯示出其在高端柔性電子與智能穿戴系統(tǒng)中的重要應(yīng)用價(jià)值與廣闊前景。
本工作以“Ultrahigh-Linear Bio-Inspired Janus Elastomeric Strain Sensor with High Sensitivity and Stretchability via Surface Wrinkle Engineering”為題。發(fā)表在Advanced Science上。
論文具體工作內(nèi)容
圖1 微皺褶Janus薄膜的設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用。(a)皺葉莢迷植物和具有微皺紋結(jié)構(gòu)的仿生Janus薄膜的示意圖；(b)，(c)NR/CNTs、無(wú)褶皺NR/CNTs@NR/GRs和微褶皺NR/CNTs@NR/GRs薄膜的電子傳輸路徑和電信號(hào)響應(yīng)示意圖；(d)基于微皺褶Janus薄膜的傳感器在人體運(yùn)動(dòng)控制與人機(jī)交互中的應(yīng)用。
圖2 微皺褶Janus結(jié)構(gòu)NR/CNTs@NR/GRs薄膜的制備、結(jié)構(gòu)表征及力學(xué)性能。(a)微皺褶Janus薄膜的制備示意圖。(b-d)含NR/CNTs和NR/GRs層的微皺褶Janus薄膜的表面截面和橫截面SEM照片。(e)微皺褶Janus薄膜中NR/GRs層的橫截面SEM。(f)，(g)含不同GRs含量的微皺褶Janus薄膜的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)及相應(yīng)力學(xué)性能。(h)微皺褶Janus薄膜中NR/GRs層斷裂的示意圖。(i)微皺褶Janus薄膜在200%預(yù)拉伸應(yīng)變前后五次循環(huán)下的應(yīng)力-應(yīng)變滯后回線(xiàn)曲線(xiàn)。(j-m)含60phrGRs的微皺褶Janus薄膜在100%、200%和300%預(yù)拉伸應(yīng)變下的SEM圖像。ANSYS不同皺褶含 量(n)和不同GRs含量(o)的微皺褶Janus薄膜應(yīng)力分布的力學(xué)模擬。
圖3 微皺褶Janus結(jié)構(gòu)NR/CNTs@NR/GRs薄膜的傳感機(jī)理：(a-d)傳感器在不同應(yīng)變下的SEM圖像；(a1-d1)，(a2-d2)傳感器在不同應(yīng)變下的結(jié)構(gòu)示意圖及導(dǎo)電路徑；(a3-d3)傳感器在不同應(yīng)變下的等效電路圖；(e-g)純NR/CNTs、NR/GRs、擬合平行模型(RF)以及我們?cè)O(shè)計(jì)的微皺褶Janus結(jié)構(gòu)NR/CNTs@NR/GRs薄膜(RT)的電阻響應(yīng)
圖4 NR/CNTs@NR/GRs-60微皺褶Janus結(jié)構(gòu)薄膜的應(yīng)變傳感性能表征：(a)傳感器在寬應(yīng)變范圍內(nèi)的相對(duì)電阻變化（ΔR/R0）及對(duì)應(yīng)響應(yīng)因子（GF）；(b)傳感器在100%拉伸應(yīng)變條件下的相對(duì)電阻響應(yīng)及線(xiàn)性擬合結(jié)果；(c)傳感器在不同拉伸應(yīng)變狀態(tài)下的電流-電壓（I-V）特性曲線(xiàn)；(d)傳感器在60%固定應(yīng)變下、不同拉伸速率條件下的相對(duì)電阻響應(yīng)；(e)在20%-120%應(yīng)變范圍內(nèi)，以100 mm/min拉伸速率進(jìn)行循環(huán)測(cè)試時(shí)的相對(duì)電阻響應(yīng)；(f)傳感器在1%微小應(yīng)變條件下的響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間曲線(xiàn)；(g)在60%應(yīng)變下進(jìn)行1000次循環(huán)拉伸-釋放過(guò)程中的實(shí)時(shí)電阻變化；(h)本工作所制備傳感器與其他已報(bào)道應(yīng)變傳感器在綜合性能方面的對(duì)比分析
圖5 傳感器在人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、智能感知與識(shí)別中的應(yīng)用：(a)信號(hào)傳輸流程示意圖；(b-c)脈搏與手指彎曲的信號(hào)輸出；(d)智能手套示意圖，包含手勢(shì)識(shí)別與人機(jī)交互的核心硬件電路結(jié)構(gòu)；(e)對(duì)應(yīng)26個(gè)英文字母和10個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字的摩爾斯電碼序列；(f)“LOVE”和“WYU”的摩爾斯電碼編碼示例；(g)典型手勢(shì)及其對(duì)應(yīng)信號(hào)輸出；(h)A至F手勢(shì)識(shí)別結(jié)果的混淆矩陣；(i)機(jī)械手分別抓取萬(wàn)用表和智能手機(jī)的攝影示意圖；(j)機(jī)械手抓取與釋放動(dòng)作的電信號(hào)
總結(jié)與展望
本研究受皺葉莢蒾葉片不對(duì)稱(chēng)微結(jié)構(gòu)啟發(fā)，通過(guò)簡(jiǎn)便的逐層真空過(guò)濾與預(yù)拉伸策略，成功制備出具有微褶皺結(jié)構(gòu)的NR/GRs@NR/CNTs Janus導(dǎo)電彈性復(fù)合材料。通過(guò)調(diào)控石墨烯填充含量與預(yù)拉伸應(yīng)變，構(gòu)建出上層致密高模量、下層疏松高延展性的異質(zhì)雙導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，層間經(jīng)硫化形成穩(wěn)固過(guò)渡界面，有效緩解應(yīng)力集中，賦予復(fù)合材料優(yōu)異的力學(xué)與傳感協(xié)同性能。研究表明，該傳感器依托褶皺引導(dǎo)定向微裂紋、應(yīng)變分段響應(yīng)、上下層并聯(lián)導(dǎo)電的三階段協(xié)同傳感機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了全量程穩(wěn)定線(xiàn)性輸出：在0-100% 應(yīng)變范圍內(nèi)達(dá)到超高線(xiàn)性（R2>0.999），靈敏度系數(shù)GF>14，檢測(cè)范圍突破400%，檢測(cè)下限低至0.1%，響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間僅0.16 s/0.16 s，并可穩(wěn)定承受1000次循環(huán)加載而性能無(wú)明顯衰減，綜合性能優(yōu)于多數(shù)已報(bào)道的柔性應(yīng)變傳感器。該傳感器已成功應(yīng)用于人體脈搏、吞咽、面部表情、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)等多尺度生理信號(hào)監(jiān)測(cè)，并集成于智能無(wú)線(xiàn)手套，實(shí)現(xiàn)高精度手勢(shì)識(shí)別、摩斯密碼傳輸、機(jī)械臂協(xié)同控制等人機(jī)交互場(chǎng)景，在智能可穿戴電子、健康監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互系統(tǒng)中展現(xiàn)出突出的實(shí)用價(jià)值。
本研究提出的仿生微褶皺Janus結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為解決柔性應(yīng)變傳感器靈敏度、線(xiàn)性度、檢測(cè)范圍難以協(xié)同優(yōu)化的關(guān)鍵難題提供了簡(jiǎn)單高效的新策略。未來(lái)可進(jìn)一步拓展材料體系、優(yōu)化器件封裝與集成工藝，提升環(huán)境適應(yīng)性與規(guī)?；苽淠芰?，推動(dòng)其在柔性機(jī)器人、醫(yī)療診斷、智能穿戴終端等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。
作者及團(tuán)隊(duì)介紹
第一作者及共同通訊作者：林靜，應(yīng)用物理與材料學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，江門(mén)市二級(jí)高層次人才。研究方向?yàn)楣δ軓椥泽w復(fù)合材料及半導(dǎo)體光電材料研究，主持廣東省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目與廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究區(qū)域聯(lián)合基金項(xiàng)目。以第一作者/通訊作者在Adv. Funct. Mater.、Advanced Science、Small、Chem. Eng. J、ACS Appl. Mater. Interfaces等權(quán)威期刊上發(fā)表SCI論文24篇，EI論文4篇，獲授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利3項(xiàng)。
第二作者：李曄，男，五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院2023級(jí)材料與化工碩士研究生。
共同通訊作者：胡德超，博士，佛山大學(xué)材料與能源學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事高分子改性與功能復(fù)合材料方面的研究，主持國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究區(qū)域聯(lián)合基金、廣東省普通高校特色創(chuàng)新項(xiàng)目、教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人等多個(gè)項(xiàng)目。以第一/通訊作者在Adv. Sci.、Compos. Sci. Technol.、Adv. Compos. Hybrid Mater、Chem Eng J、ACS Appl Mater Interfaces、Carbohydr Polym等期刊發(fā)表論文40余篇，入選封面論文3篇；已授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利14件。
共同通訊作者：羅堅(jiān)義，男，工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院院長(zhǎng)，五邑大學(xué)柔性傳感材料與器件研究開(kāi)發(fā)中心主任（創(chuàng)始人），國(guó)務(wù)院政府特殊津貼專(zhuān)家（2023），省級(jí)領(lǐng)軍人才，廣東省杰出青年基金獲得者，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃智能傳感重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)會(huì)評(píng)專(zhuān)家，南粵優(yōu)秀教師，江門(mén)市首屆“僑鄉(xiāng)青年榜樣”，江門(mén)市優(yōu)秀科技工作者，江門(mén)市“十佳教師”。主要研究領(lǐng)域包括：柔性傳感材料與器件應(yīng)用（柔性觸覺(jué)傳感、溫度傳感、氣壓傳感和彎曲傳感等）；納米功能材料合成；智能調(diào)光變色材料與器件。
共同通訊作者：劉嵐，華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，University of Connecticut高級(jí)訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者。研究方向?yàn)楣δ芨叻肿硬牧吓c柔性電子功能材料的結(jié)構(gòu)、性能與應(yīng)用。先后主持了多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、廣東省及廣州市科技重點(diǎn)項(xiàng)目、廣東高效科技創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)重點(diǎn)項(xiàng)目等；并作為主要參加者參與了國(guó)家“863計(jì)劃”、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金廣東省聯(lián)合基金、廣東省戰(zhàn)略性新型產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目及廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目等研究工作。相關(guān)研究先后在Adv. Funct. Mater.、Chem. Mater.以及Chem. Eng. J.等國(guó)際權(quán)威期刊發(fā)表SCI論文100余篇。申請(qǐng)國(guó)家專(zhuān)利90多項(xiàng)，其中獲授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利35項(xiàng)。
附文獻(xiàn)及DOI號(hào)：
Ultrahigh-Linear Bio-Inspired Janus Elastomeric Strain Sensor with High Sensitivity and Stretchability via Surface Wrinkle Engineering
https://doi.org/10.1002/advs.202524269
