智能可穿戴柔性可拉伸应变传感器的研究进展

周珍卉，包肖婧，范强，刘旭华，苗锦雷，曲丽君

(1.青岛大学纺织服装学院，山东青岛 266071；2.青岛市纤维纺织品检验研究院，山东青岛 266071)

0 前言

近年来，随着科学技术的不断进步和发展，人们对日常生活中的各种设备提出了新的应用要求。柔性可穿戴电子产品因其在可穿戴设备[1]、电子皮肤[2－3]、压力传感器[4－5]、触摸屏[6－7]、人体运动监测传感器[8－9]和能源[10－12]等领域的广泛应用而引起了人们的极大关注。 其中能够进行信号监测的柔性可拉伸应变传感器在智能可穿戴领域占据着重要的地位[13]，其在人体运动监测[14]、健康监测[15－17]、人机交互[18－19]、柔体机器人[20－21]、可穿戴电子设备[22－23]和电子皮肤[24－25]等领域中具有广阔的应用前景。

与传统的具备较大刚性和脆性的硅基传感器相比，柔性可拉伸应变传感器因为其良好的弹性和柔性，能够在曲面上有效地捕获高质量的机械信号并将其转化为电信号，从而使柔性可拉伸应变传感器具备良好的传感性能[26－27]。 目前的柔性可拉伸应变传感器通常由弹性基底与导电材料复合而成。目前通常将聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(PU)、Ecoflex 等弹性聚合物或具备良好弹性的织物作为弹性基底[28－30]。 弹性薄膜和弹性织物具有优良的拉伸性能，可以使柔性可拉伸应变传感器在大范围应变内对信号进行监测。 目前通常将导电聚合物、碳纳米管、石墨烯、金属纳米线和过渡金属碳化物/氮化物(MXene)中的一种或几种组合作为导电材料构建导电层[31－35]。 导电聚合物和导电纳米材料具备良好的柔性和导电性，以其作为导电层制备的柔性可拉伸应变传感器可以具备良好的柔性和更高的灵敏度。 弹性基底使柔性可拉伸应变传感器具备良好的可拉伸性和柔性，从而在曲面上捕捉信号并且适应多种的弯曲动作。 导电材料构建的导电网络使应变具备一定的导电性和灵敏度，当应变传感器受到信号刺激时基底产生应变并且其结构发生变化，导电材料之间的位置会发生变化，柔性可拉伸应变传感器电阻会发生变化，从而使柔性可拉伸应变传感器具备传感性能，能够对刺激信号进行有效响应[36－37]。

本文根据柔性可拉伸应变传感器弹性基底和导电材料的不同，系统地总结了柔性可拉伸应变传感器的制备、性能及应用，并且探讨了柔性可拉伸应变传感器的潜在使用场景和未来发展方向。

1 基于碳纳米材料的柔性应变传感器

碳纳米材料是制造高性能拉伸应变传感器最广泛使用的材料。 与其他导电材料相比，碳纳米材料具有优异的导电性、较高的化学和热稳定性、优异的机械性能和易于使用的功能性碳纳米材料。其中包括炭黑、碳纳米管、石墨烯，这些碳纳米材料在柔性应变传感器领域有着广泛的应用。

1.1 碳纳米材料薄膜基柔性应变传感器

碳纳米管是由碳原子形成的管状分子，可视为石墨烯以一定角度卷曲形成的管状结构。 碳纳米管具有优良的机械性能、优良的导电性、高的光学透明度和强的热稳定性[31]。 Chen 等人采用了一种喷雾沉积和转移方法将超薄碳纳米管层嵌入两个PDMS 基板中。 该传感器具有优异的拉伸性、良好的光学透明度和优异的传感性能，可以同时检测大小应变，并具有优异的稳定性和重复性[38]。 Lee等人提出了一种基于碳纳米管重叠的应变传感器，通过重叠碳纳米管的滑动和断裂，应变传感器具有超过145%应变的传感范围，具有出色的灵敏度、优异的重复性和耐用性。 该传感器具有新颖的结构和机制，可以高灵敏度地检测各种应变[39]。 石墨烯是一种理想的二维结构材料，具有优异的力学性能和断裂应变。 此外，它还具有良好的光学性能和独特的电学性能，非常适合用作可拉伸应变传感器的导电材料。 Wu 等人报道了一种由垂直石墨烯纳米片和夹在PDMS 基板之间的迷宫状网络组成的新型应变传感器。 该传感器可以达到120%的高拉伸，在整个检测范围内具有出色的线性度和高灵敏度。 该传感器还可以进行人体运动检测和压力分布测量[40]。 Tao 等人提出了一种具有自适应和可调性能的激光图案化石墨烯应变传感器。 传感器可以满足细微和大运动情况下的各种监测需求，在可穿戴电子设备、健康监测和智能机器人等应用中显示出巨大潜力[41]。 将碳纳米材料与弹性基板结合制备柔性可拉伸应变传感器，具有优异的稳定性和良好的导电性，可用于人体运动检测，潜力巨大。

1.2 碳纳米材料纺织基柔性应变传感器

近年来，随着智能穿戴设备的不断发展，除了保证优良的弹性和高强度外，对透气性和亲肤性也提出了要求。 Yang 等人采用“浸干”法在针织棉织物表面包覆单层碳纳米管制备导电棉织物。 该应变传感器具有工作应变范围大、响应速度快、稳定性好等特点，该应变传感器用于实时监测人体运动[42]。 Lee 等人使用尼龙织物采用真空辅助逐层喷涂技术，将单壁碳纳米管均匀涂覆在纺织纤维表面。 此传感器表现出高灵敏度、快速响应和出色的耐用性。 此传感器可以很容易地与衣服集成，为高性能可穿戴应变传感器的制造开辟了新机遇[43]。Zheng 等人经过多次浸渍工艺将石墨烯纳米片沉积在棉织物上，然后用PDMS 封装织物，制备了棉织物应变传感器。 此应变传感器具有出色的可重复性、耐用性和检测极低应变[44]。 Yang 等人基于无聚合物封装的石墨烯织物制造了一种贴合耐磨的石墨烯织物应变传感器。 该传感器还具有高灵敏度、长期稳定性和极佳的舒适性。 石墨烯织物应变传感器可以编织在衣服上，用于检测关节弯曲、面部表情、脉搏监测和手写识别[45]。 导电层由碳纳米管、石墨烯等碳纳米材料制成，具有良好的导电性、稳定性和耐久性。 由碳纳米材料与织物复合制备的拉伸应变传感器既具有良好的柔性和透气性，又可以检测人体的细微活动和人体运动，在智能可穿戴方面具有很好的应用前景。

2 基于金属纳米材料的柔性应变传感器

与碳纳米材料相比，一维金属纳米线包括银纳米线、铜纳米线和金纳米线，由于其优异的导电性在作为电子器件导电填料上有巨大潜力。 在所有金属纳米线中，银纳米线(AgNWs)具有较好的电导率(6.3×107S/cm－1)、热导率和化学稳定性。

2.1 金属纳米材料薄膜基柔性应变传感器

将金属纳米线与弹性薄膜基板结合制备柔性可拉伸应变传感器，这种可拉伸的应变传感器可用于人体运动检测，潜力巨大。 Liao 等人使用AgNWs＠图案化PDMS 研发微裂纹辅助应变传感器。 通过设计的渗流网络微结构，应变传感器具有制备简单、灵敏度超高、出色的传感性能和出色的拉伸性、低蠕变、可逆性好和超高稳定性。 应变传感器可用作可穿戴显示器和电子皮肤，可用于人体运动的全方位检测[46]。 Yin 等人将AgNWs 的有序阵列结构通过简单的水浴拉法组装在一起嵌入PDMS。 该传感器对动作捕捉和人体信号具有严格、稳定和可靠的响应。 它还可以帮助监测残疾人的身体状况并且协助医疗，同时可以确保隐私保护[47]。

2.2 金属纳米材料纺织基柔性应变传感器

将金属纳米线与织物基底复合制备柔性可拉伸应变传感器，可以将金属纳米材料的高导电性与织物基板的透气性和舒适性相结合。 这种可伸缩的应变传感器可用于人体运动检测，在智能可穿戴领域具有巨大潜力。 Chen 等人使用由多层PU 纤维编织而成的纤维织物制备多功能电子织物。 所制备的电子纺织品具有高导电性、高拉伸性、高灵敏度和高耐久的优点。 此多功能电子织物在综合检测和医疗保健领域也具有巨大潜力[48]。 Luo 等人通过将银纳米线油墨转移到可拉伸纺织品上，通过一步丝网印刷方法制造了一种高性能的纺织品基应变传感器。 通过设计各种图案的筛板，可以同时实现不同感应范围和灵敏度的优化。 该传感器在120%的应变范围内灵敏度为216，并且具有出色的耐久性[49]。 金属纳米材料因其高导电性和柔韧性已显示出作为柔性可拉伸应变传感器的前景，可用于智能可穿戴设备以检测人体运动。

3 基于导电聚合物的柔性应变传感器

导电聚合物复合材料是理想的传感材料，尤其适用于可穿戴传感应用，具有模量低、重量轻、柔韧性好、加工方便、耐机械变形、灵敏度高等优点。 基于导电聚合物的高性能智能柔性应变传感器应用于人体运动检测、健康监测、软体机器人皮肤和人机交互等领域。 在智能可穿戴领域具有巨大潜力。

3.1 导电聚合物薄膜基柔性应变传感器

将导电聚合物与弹性基材结合可以将导电聚合物的柔韧性和抗机械变形能力与弹性聚合物的高拉伸应变的优点结合起来，在人体运动检测、电子皮肤、人机交互等方面具有广阔的前景。 Lipomi等 人 用 紫 外 光/臭 氧 处 理 PDMS 表 面， 并 在PEDOT:PSS 溶液中添加表面活性剂以产生弹性膜。 该应变传感器能达到0～188%的高应变范围。这种导电薄膜可用作拉伸传感器在智能可穿戴设备领域有着广泛的应用[50]。 Zhu 等人介绍了一种一步光刻技术来图案化PEDOT:PSS 薄膜制备了一种混合薄膜结构。 该薄膜具有出色的长期湿稳定性和光刻分辨率。 当这种稳定的混合薄膜在新兴的柔性和可穿戴电子应用中存在巨大的潜力[51]。 该导电聚合物与弹性基板结合制备的应变传感器具有高应变拉伸范围和高灵敏度，具有广泛的应用前景。

3.2 导电聚合物纺织基柔性应变传感器

通过将导电聚合物与织物弹性基材结合制备的应变传感器将导电聚合物的低模量和高导电性与织物的舒适性和透气性相结合。 Seyedin 等人首次制备了具备导电和高拉伸的PU/PEDOT:PSS 纤维。 该纤维具有适合织造各种纺织结构的机械性能，此应变传感器已应用在膝套中用于个人训练和受伤后的康复[52]。 Jia 等人提出了一种通过气相聚合制造涂有PEDOT 的高导电商业纺织品作为可穿戴热电应变传感器。 该纺织品表现出优异的机械弹性和电气性能。 此外，制造的PEDOT 涂层纺织品表现出优异的耐水性。 该应变传感器的最佳灵敏度在1.5%的应变下可达到54，能够完全满足可穿戴电子传感器设备的需求[53]。 将导电聚合物与织物基材结合制备的应变传感器具有导电性高、灵敏度高、舒适性好等优点，应用于智能可穿戴领域。

4 基于混合导电材料的柔性应变传感器

通常，应变传感器由弹性体或织物基板和导电材料组成，例如微米或纳米金属纳米粒子、纳米线、碳纳米材料、导电聚合物和MXene。 对于应变传感，研究界认为应变灵敏度、传感应变范围、线性度、滞后和响应时间等参数很重要。 研究人员将两种或两种以上的导电材料组合在一起，制备出具有更好传感性能的应变传感器。

4.1 混合导电材料薄膜基柔性应变传感器

作为一个集成高灵敏度和可拉伸的应变传感器，用于监测各种日常活动，如跳跃、跑步、心跳和脉搏。 目前，应变传感器中单一导电材料的使用限制了应变传感器的应变检测范围和灵敏度，结合多种导电材料的应变传感器可以大大缓解这种限制。Li 等人提出了一种通过耦合AgNWs 和还原氧化石墨烯(rGO)来制造基于电纺热塑性聚氨酯(TPU)垫的柔性应变传感器，该应变传感器分别表现出高应变灵敏度和宽工作范围。 此传感器在应变灵敏度和传感范围方面表现出协同效应，混合纳米材料的传感器具有超高灵敏度和更宽的检测范围。 这种应变传感器用于监测人体运动，在医疗保健和人机界面应用中的潜力[54]。 Zhou 等人结合3D 混合导电网络石墨烯纳米板/羧基功能化多壁碳纳米管/硅橡胶(GNPs/MWCNTs/SR)的协同效应，创建了具有高灵敏度的蛇形传感层。 其具有可扩展性、超低检测限、出色的动态响应特性、快速响应时间和出色的耐用性。 该柔性应变传感器有望成为实时和高精度人体运动检测、先进人机界面和智能机器人等可穿戴应用的潜在候选者[55]。 使用混合导电材料在弹性薄膜基底上所制备的应变传感器具有灵敏度高、拉伸应变范围大、响应速度快等特点，可用于智能穿戴领域的人体运动监测、电子皮肤、人机交互等，具有巨大的应用潜力。

4.2 混合导电材料纺织基柔性应变传感器

目前，应变传感器的制备方法主要是将碳纳米材料、金属纳米材料、导电聚合物、MXenes 及其组合产品等材料浸渍或负载在弹性基板上，以获得高灵敏度特性。 用织物基板替代传统弹性基板可以提高应变传感器的舒适性，提高其在智能可穿戴设备领域的应用。 Lee 等人使用一种溶液处理的喷雾辅助涂层方法，可以在大面积织物上形成均匀的涂层，从而制造出一种基于商用的高耐用的纺织品柔性应变传感器。 所制备的传感器能够准确地检测出应变的大小，从而对人体的各种运动做出良好的响应[56]。 Han 等人创造性地将AgNP 负载在MXene 纳米片上与AgNWs 复合，这种方法提高了传统一维材料的弹性和导电性。 其中，AgNP 在AgNW 和MXene 之间架起了一座桥梁，即使在较大的纱线应变(200%)下也能保证连续性和高规格系数。 复合纱线应变传感器具有非常高的应变和灵敏度，能够有效监测人体各部位的尺寸和变形，可以应用于医疗设备、人工皮肤等可穿戴领域。 以织物为基材制备的应变传感器具有传统应变传感器的特点，具有良好的透气性和舒适性。 该应变传感器可用于智能穿戴领域的人体运动监测，具有广泛的应用前景。

5 结论

将碳纳米材料、金属纳米材料、导电聚合物、MXene 及其组合产品中的一种或多种材料复合，然后浸渍或负载在弹性薄膜或弹性织物上，制备出柔性可拉伸应变传感器，具有拉伸应变范围大、灵敏度高、响应速度快、稳定性高、耐久性高等优点。 它可用于智能穿戴领域，监测各种日常活动，包括大范围和小范围的应变，如跳跃、跑步、心跳和脉搏。此外，还可应用于电子皮肤、人机交互、智能机器人等领域，具有非常广泛的应用前景。