四川大学王竹卿教授/吴晓东研究员CEJ: 全织物基柔性压力传感器

一、研究背景：

柔性可穿戴压力传感器在多种新兴领域扮演着重要角色，如可穿戴健康监测、柔性人机交互、人工电子皮肤、智能机器人等。然而，由于绝大多数柔性压力传感器是由透气性较差的柔性或弹性聚合物基底组成的，这些传感器难以被牢固且舒适地穿戴在人体上。此外，佩戴这些由聚合物基底制成的传感器也会影响人体的透气性和运动的自由度。这些问题限制了这类柔性压力传感器在可穿戴系统中的广泛应用和规模化部署。相比之下，具有良好柔软性、透气性和对皮肤友好的全织物基的压力传感器可以被轻松牢固地集成于衣物中，并且不会牺牲人体的舒适度和限制人体的运动自由，在智能可穿戴设备中展现出巨大的应用前景。常见的全织物基压力传感器一般都是通过直接在织物表面沉积或涂覆导电纳米材料制备导电织物，这使得涂覆的导电层与织物表面之间的界面附着力较弱。此外，刚性的导电层在经过反复的机械变形后也会产生裂纹。这些因素通常会导致压力传感器长期在恶劣环境下，如反复的机械弯曲、清洗等，传感器的性能衰退甚至失效。因此，如何设计、构建一种具有良好机械鲁棒性的全织物基压力传感器，具有重要的理论研究意义和实际应用价值。

二、文章简介：

近日，四川大学机械工程学院的王竹卿教授和吴晓东研究员团队通过合理的材料选择、组分优化、结构设计和系统集成，提出了一种简便、低成本和可扩展的方法来制备具有良好机械鲁棒性的全织物基柔性压力传感器。将制备的全纺织压力传感器集成到不同的衣物中，成功实现了对各种人体生理活动信号的无线和实时监测，在智能电子织物和可穿戴设备中表现出良好的应用前景。相关成果以 “All textile-based robust pressure sensors for smart garments” 为题，发表在国际著名期刊《Chemical Engineering Journal》上（影响因子：16.7，中科院1区Top期刊），论文第一作者为四川大学机械工程学院2021级研究生刘奇同学。

三、研究内容：

图1. 全织物基柔性压力传感器的设计理念和制备过程。通过逐层堆叠组装的方法将导电复合材料可控地涂覆在高弹性织物上得到顶部压阻层；通过丝网印刷技术将弹性导电材料打印在柔性但非弹性的织物基板上得到底部电极层。最后通过简单的缝纫得到最终的压力传感器。压阻传感层具有多孔结构和粗糙表面，可随外界施加的压力而变形和压缩。基于此，顶部导电织物层与底部叉指电极层之间的导电通路会随着施加压力而增多。因此在两个电极之间测量的电阻信号输出也会随外界施加压力的变化而变化，从而实现压力检测功能。

图2. 全织物基柔性压力传感器顶部压阻织物层和底部电极织物层的结构表征。 在制备导电压阻织物过程中，通过逐层堆叠组装将碳纳米管导电网络牢固地嵌入到弹性基体中，而不是直接涂覆在织物的纱线基底表面。该策略可大大增强导电材料与织物基底之间的附着力，使得织物基底上被牢固地涂覆了一层稳定的导电层，最终增强了传感器的鲁棒性。叉指电极由弹性导电碳墨制成，导电颗粒通过丝网印刷均匀地沉积在织物基底上。具有弹性导电电极的柔软织物可以任意扭曲弯曲，而不会明显降低其导电性，这进一步提高了传感器的鲁棒性。

图3. 全织物基柔性压力传感器的响应行为和性能表征。通过合理的传感材料选择和传感器结构设计，使得该传感器具有优异的鲁棒性和耐久性。与类似的织物基柔性压力传感器相比，该种全织物基柔性压力传感器表现出相当或甚至更好的传感性能，且具有显著的经济性和规模化优势。

图4. 全织物基柔性压力传感器被集成到衣物上进行人体运动信号的监测。该种全织物基柔性压力传感器凭借其良好的传感性能、透气性和佩戴舒适性，极其适用于被穿戴到衣物上进行相关的人体活动信号监测。该全织物基柔性压力传感器在对不同的人体运动信号监测中展现出可靠和稳定的性能，在智能可穿戴设备中具有巨大的应用前景。

图5. 在手套上集成了五个全织物基柔性压力传感器，用于监测物体抓握过程和手势识别。本工作还研制了一款在每个手指上都集成了传感器的智能手套，每根手指的弯曲信号可以被单独精确地检测和区分出来，成功监测了在抓握不同物体过程中的五个手指通道的实时信号变化。此外，由于不同的手势对应的是五指弯曲状态的不同组合，因此智能手套还可以精准、重复地监测出不同手势对应的五指通道的信号相应情况，进而识别出不同的手势含义。这些结果验证了该全织物基柔性压力传感器在智能机器人的手势识别和触觉感知等应用方面的潜力。

四、结论与展望：

总之，本工作提出了一种具有良好综合性能的全织物基柔性压力传感器。通过巧妙的材料选择和传感器结构设计，使得该传感器具有优异的鲁棒性和耐久性。该传感器具有良好的透气性和佩戴舒适性，可以被轻松集成到多种衣物中用于实时和无线监测各种人体的生理活动。本工作为未来智能电子织物和可穿戴智能系统的发展提供了一种可靠、可扩展和具有经济效益的全织物基压力传感器的设计策略。

文献链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894722057825