纳米纤维基力学传感器研究及应用进展

陈乘风, 马雨萱, 王意淼, 王 航, 曲丽君,c, 田明伟,c

(青岛大学 a.纺织服装学院; b.山东省特型非织造材料工程研究中心; c.智能可穿戴技术研究中心,青岛 266071)

运动与健康是新时期发展的重要主题之一,而加快智能医疗和运动健康的智能传感器件开发则是推动这些需求发展的重要支撑。力学传感器如应力传感器,其可将外部环境力学变化信息(压缩、弯曲等)转化为可读取的电信号输出,是开发智能传感器件的最重要基础部件之一[1-2]。然而,金属或半导体等刚性传感器难以捕捉复杂结构物体发出的信号,纺织或纤维基柔性力学传感器具有质量轻、柔韧性高、尺寸小等特点,人体穿戴舒适、体验感佳的优势,最重要的是其柔性结构可确保器件与人体的紧密贴合,能准确感应和反馈外界环境多应变力学刺激[3-4]。将纺织或纤维材料与电学传感技术相结合开发柔性力学传感器件,可实现人体运动姿态、呼吸/心率等生理体征的精准监测,由专业运动指导、健康风险预警等数字化运动与健康医疗产业具有极高的应用潜力。进一步通过产品集成与应用开发,可衍生出感知床垫、枕套、坐垫、健康腕带、心电背心等柔性智能传感新产品,在健康监控[5]、运动检测[6]、电子皮肤[7]及人机交互[8]等应用领域发挥巨大作用。因此,面向人工智能和健康医养等重大战略需求,智能纤维与纺织功能化材料等可穿戴器件开发是满足人体健康监测、人机交互等应用需求的重要保障。

近年来,基于电子技术加纤维材料的智能可穿戴理论已得到各国学者的广泛研究与认可,跨学科融合发展的时代大背景也为柔性智能可穿戴设备的研究提供了重要基础[9-10]。纳米纤维广义上指直径低于1 μm的纤维,相比于传统纺织纤维及织物材料,具有柔曲性强、比表面积大、孔隙率高等优势。纳米纤维可与人体皮肤贴合更紧密且柔软舒适,其在捕捉人体运动、运动、康复训练、远程健康监测和日常娱乐方面具有显著的传感性能优越性[11-12]。例如,纳米纤维具有极高的柔曲性,可作为功能化处理基底或电容式柔性传感器电介质层,提升力学传感器灵敏度与准确度;纳米纤维具有超大比表面积,能有效吸附纳米导电材料,借助超细纤维三维互联结构构成高效导电网络,可在微作用力下表现出超高灵敏度,提升柔性传感器的电学性质。

因此,将纳米纤维集合体应用于柔性力学传感器开发,可赋予传感器低成本、加工简单、体验感佳、传感性能优异等优势,也是当前科学研究的焦点。本文围绕纳米纤维基力学传感器中传感性能提升等关键问题,阐述了力学传感用基体纳米纤维的结构与功能设计手段,从传感机理角度,系统综述了电阻式、电容式、自供电式纳米纤维力学传感器的研究进展,总结了近年来纳米纤维基力学传感器在医疗诊断、运动监测、人机交互、电子皮肤等领域的应用进展,以期为柔性传感器的发展提供重要的理论与实践参考。

1 纳米纤维基力学传感器概述

纳米纤维基力学传感器是以柔性纳米纤维集合体为基体,具有感知外部力学刺激并输出为电信号的电子器件[13]。按照传感机理分类,纳米纤维基力学传感器可分为压阻式传感器[14-15]、电容式传感器[16-17]和纳米纤维自供电传感器,而纳米纤维自供电传感器又包括压电式自供电传感器[18-19]和摩擦电式自供电传感器[20-21],四类传感器作用机理如图1所示。不同传感器中,纳米纤维承担的作用有所区别。但纳米纤维集合体作为基体材料需具备稳定的机械性能、拉伸性与回复性等特性,可为柔性传感器提供机械支撑、弹性形变或信号传输网络,确保传感器良好的柔韧性、可拉伸性与力学敏感性[22]。

图1 各类传感器工作原理示意

纳米纤维制备方法众多,包括静电纺丝技术、溶液喷射纺丝技术、离心纺丝技术、自组装技术等,其中静电纺丝技术凭借装置简单、结构设计灵活成为力学传感器中纳米纤维基体的主要制备方法[23-24]。不同力学传感器的传感特性与原理不尽相同,通常需要利用纺丝工艺优化、纺丝成分组合及纤维结构设计等方法,实现特有传感性能优化和多功能集成。目前,围绕纳米纤维基力学传感器开发,主要采用以下方法制备功能传感纳米纤维:

1) 聚合物直接纺丝法。这种方法最简单、直接,通过将聚噻吩(PEDOT)、聚苯胺(PANI)等导电聚合物或聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)、聚(偏氟乙烯)(PVDF)等压电聚合物直接细化为纳米纤维,实现功能纳米纤维制备[25-26]。

2) 共混法。这种方法通常将纳米导电填料(碳纳米管(CNT)[27]、石墨烯(GR)[28]、纳米银[29]等)引入弹性聚合物溶液制备均一导电共混纺丝液,通过纺丝制得具备大孔隙率、可拉伸特性及电学性质的纳米纤维网[30]。如Sheng等[31]将纳米碳管与石墨烯作为导电填料与热塑性聚氨酯混合,同时加入四甲基哌啶和氧化细菌纤维素纳米纤网作为分散和黏合剂,增强聚氨酯与导电填料间相互作用,提升纤网电学性质与机械强度,制备了高灵敏度纳米纤维力学传感器。

3) 纳米纤维碳化法或气相生长法。如碳化法主要是对由聚丙烯腈(PAN)、纤维素等前驱体聚合物制备的纳米纤维,进行预氧化、碳化处理,获得连续碳纳米纤维导电材料。气相生长法主要是将纤维置于反应室中,使气相分子在纤维表面沉积形成连续薄膜。

4) 纳米修饰法。这种方法具体是指利用浸渍、旋涂、真空过滤[32]、喷墨打印[33]、自组装[34]、化学气相沉积[35]及超声波喷涂[36]等方法将导电聚合物或纳米导电材料修饰于纤维表面,在纤维表面形成导电回路。

纳米纤维的纳米尺度和微观结构,对材料物理/电学传感性质等具有重要影响,其出色的纳米结构与柔性低模量优势确保了纳米纤维力学传感器在复杂运动监测与超灵敏监测中[37]。此外,从微观角度看,纳米纤维集合体中的一维纳米纤维可在轴向上形成电子路径富集网络,提升载流子迁移效率。随着纳米技术的发展,围绕纳米纤维力学传感器传感特性,通过多级传感结构设计、高性能导电材料引入、三维导电协同网络的构建,进一步实现传感功能的优化与突破,开发高灵敏度、宽传感范围及快响应速度传感器,逐渐成为学术界与产业界的关注重点[38-39]。

2 纳米纤维基力学传感器研究

2.1 纳米纤维电阻式力学传感器

电阻式力学传感器的电阻主要由传感电极电阻、接触电阻和形变电阻三部分组成,其传感原理主要是受到外界力拉伸或压缩后,纳米导电网络接触面积发生变化从而引起接触电阻发生变化,最终电阻信号发生变动反馈。纳米纤维电阻式传感器的响应刺激中电阻的变化主要依靠导电微结构之间的断开、裂纹扩展和隧道效应等。从宏观角度分析,纳米纤维中的纳米导电材料相互重叠、接触形成导电网络,受到外力后基材形变部分相互堆叠的导电材料之间位置发生变化,导电回路断裂,导致电阻增加或减小。从微观角度分析,拉伸下纳米导电材料断开是由于刚性纳米导电材料和弹性聚合物之间的弱界面结合和大刚度失配导致纳米材料滑移造成的[40]。

纳米纤维电阻式柔性传感器的性能提升,主要依托于传感器基体结构设计和导电网络的设计。近年来,受生物分级结构的启发,在纳米纤维基体表面或内部构建精细的微/纳米结构是提高压力/应变灵敏度的重要途径之一,这种结构在微小的压力/应变作用下会产生较大的变形和接触面积变化。如Zhang等[41]通过超声波处理将多壁纳米碳管(MCNTs)分散到溶胀后的纤维塑纤维表面,利用水浴法对膨胀后的纤维进行处理制得具有多孔和交错结构的复合导电纤网(图2(a))。使用MCNTs对纤维表面进行微结构修饰,提升了柔性传感器表面的导电回路的数量,修饰后的纤维之间存在较大的孔隙(图2(b)),轻微外力作用下可产生电信号,提升柔性传感器的灵敏度和检测范围。所制备的应变传感器具有出色的灵敏度和响应速度,经测试,其灵敏度为-0.019 7 kPa-1,响应速度和恢复速度分别为20 ms,如图2(c)所示。该器件可用于检测细微或大幅度的人体运动监测,如手指关节和肘关节弯曲等。Li等[42]采用静电纺丝、超声吸附和线管缠绕技术,制备了多壁纳米碳管和单壁纳米碳管修饰热塑性聚氨酯(TPU)的高导电可拉伸纱线,纳米纱线导电率高达13 S/cm。所制备的纳米纱线应变传感器具有优异的拉伸能力(高达100%)和拉伸稳定性(2 000次循环),分别在0～20%和20%～100%的应变内,应变灵敏系数分别为1.67和1.24。这一差异主要源于不同应变过程中,纳米结构的不同变化状态引起的。当施加较小的应变时,纤维间的碳纳米管网络首先破裂,主要导致电阻的增加;随着应变的增加,纤维表面CNT网络的破坏和距离的增加都导致了电阻的增加。

上述工作系统地研究了纳米纤维表面微/纳米结构对电阻传感性能的影响,然而并未探讨纳米纤维集合体宏观结构对电阻变化的影响。实际上,纳米纤维取向度是影响纤维横纵向拉伸与变形的重要影响因素,为此闫涛等[43]探讨了导电纳米纤维的取向、复合传感器件厚度和牵伸方向等参数对传感器性能的影响规律。他们通过静电纺丝技术及预氧化、碳化处理制备了碳纳米纤维,并通过TPU铸膜转移的方法制备了CNFM/TPU柔性应变传感器。结果发现,随着CNF取向度的增加,传感器的应变范围先减小后增加,敏感系数先增加后减小。选用取向度为61.3%的碳纳米纤维制备柔性传感器,其应变变化率可达到10%,线性度达到0.996,灵敏系数为32.19。

图2 压阻式纳米纤维柔性传感器制备及应用

2.2 纳米纤维电容式传感器

电容式柔性传感器基于平行板电容器机理制得,其结构简单、灵敏度高、功耗低、动态响应能力强[33]。电容式柔性传感器由两侧柔性电极和中间电介质构成,传感器受到外界压力或者拉伸时,基于平行板电容器的上下电极间距离或正对面积发生改变,电介质层厚度发生变化,电容器的电容发生变化。电容器的电容可表示为:

(1)

式中:C为电容,k0为真空介电常数,kr为介电材料的相对介电常数,A为两电极相对的面积,d为两电极之间的距离。

正常情况下,电容式柔性传感器中,电容的改变与两端电极之间的距离变化有关,电介质层的机械物理性质影响电容传感器灵敏度,介电层形态变化和降低压缩模量是实现电容式柔性传感器高灵敏度的关键因素,而相较于高聚物膜和织物,具有低密度、高孔隙率、低模量等特点的纳米纤维在电容器介电层应用上具有显著优势[44]。此外,与采用光刻技术制备微结构相比,纳米纤网介电结构更为高效灵活,其受微弱作用力的变形敏感性非常高,应用于电容传感器的电介质层能有效提升传感器灵敏度[45]。因此,围绕高灵敏纳米纤维电容式力学传感,从纳米纤维表面微结构、纳米纤维多孔复合基体、织物/纳米纤维复合结构等介电层制备角度入手,可制备高灵敏度、大检测区间电容传感器[46]。Fu等[47]将聚乙烯基吡咯烷酮和钛酸四丁酯制成纺丝液进行静电纺丝制得一种柔性纳米纤维电容式传感器(图3(a～b)),将聚乙烯基吡咯烷酮和钛酸四丁酯溶入无水乙醇和乙酸的混合溶剂中制备纺丝液,将制备的电纺膜烧制得到TiO2纳米纤维,具有多孔结构的TiO2静电纺纤维作为电介质层与柔性电极复合获得电容式柔性传感器。所制得的电介质层具有较高的介电系数,同时纤维的孔隙结构使纤维具有低模量的特点。该工艺制备的电容式柔性传感器响应速度可达14 ms,能对0.99 kPa的压力做出反应,循环使用50 000次的情况下仍能保持稳定性。从织物与纳米纤维复合结构角度考虑,Li等[48]开发了一种基于双结构TPU纳米纤维膜/编织织物的高灵敏电容式压力传感器,选用具有规则图案和结构的不锈钢筛作为收集装置,实现了介电层的表面微观结构和内孔隙结构的二元结构设计,这显著增强了纳米纤维介电层的变形能力。得益于介电层中高空隙结构,所制备的压力传感器性能优异(图3(c～d)),低压力(0～2 kPa)作用下便表现出极高灵敏度(0.28 kPa-1),且具有出色的快速响应性(65 ms)和良好的重复性(1 000次循环)。

图3 电容式纳米纤维柔性传感器机理、测试及应用

基于简单电容原理构建的电容传感器依然存在灵敏度不足的问题,近年来研究者发现将离子导体引入纳米纤维在电解质—电极界面产生双电层电容,可以显著提升压力监测范围和灵敏度。Chen等[49]设计了一种基于聚(偏氟乙烯—共六氟丙烯)的不对称结构电容式压力传感器,将混合离子纳米纤维膜和纯纳米纤维膜组装堆叠形成传感器的介电层。由于纳米纤维膜的多孔结构和非黏性特性,混合离子在压力下可以穿透纯纳米纤维膜,实现了从普通电容向双电层电容的可逆转换,在0～31.11 kPa和31.11～66.67 kPa的压力内,传感器的灵敏度分别可达55.66 kPa-1和24.72 kPa-1,且具有良好的循环稳定性和极短加载—卸载响应时间,超低压检测可低至0.087 Pa。

2.3 纳米纤维自供电传感器

传统传感器,如电阻式与电容式传感器,在运行过程中均需要电源的持续供能方可工作,这导致了严重的应用不便捷与可持续性[50-51],因此智能可穿戴设备的供能问题是未来应用于发展的重要挑战之一。在可穿戴应用过程中,人作为多功能器件的承载主体及应用终端可以提供丰富的机械能来源,如能将上述机械能捕获并实现电源与传感功能的二合一,将具有重大意义。自供电传感器目前主要有压电式和摩擦电式两种模式[52-53]。

2.3.1 纳米纤维压电式传感器

压电效应是指某些压电材料在外部机械应力作用下内部发生极化现象,压电材料内部电场发生定向改变,电子定向移动形成电流。因此,借助压电材料这一独特的能量转换特性,可将它们应用于能量收集、人体状态监测和人机界面交互等领域[54-55]。目前压电材料众多,具有代表性的压电材料可分为无机压电材料和压电聚合物材料[56]。无机压电材料主要包括半导体纳米材料(如氧化锌、氮化镓、硫化镉和硫化锌等)、铅基陶瓷(如钛酸铅和锆酸铅)和无铅陶瓷(如钛酸钡、铌酸钾、铌酸锂、钽酸锂和钨酸钠)。压电聚合物主要指压电类有机聚合物,如聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)、聚(偏氟乙烯)(PVDF)及其共聚物聚(偏氟乙烯—共三氟乙烯)(PVDF-TrFE)等。无机压电材料压电性能优异,但其模量高、刚性大、韧性低,难以直接应用于与人体接触的智能可穿戴设备,从人机交互柔性应用角度,将压电聚合物或压电复合材料制成功能化纳米纤维制备柔性压电传感器,以同时保证传感性能及较好的拉伸/弯曲应变能力,则是研究者的关注重点[57]。

聚合物材料压电电荷常数比压电陶瓷等无机压电材料要小得多,因此通常需要通过原位极化、纳米掺杂、热牵伸和高电场作用等提升压电相区[58]。其中,静电纺丝技术可“一步法”实现纳米纤维的制备和极化,规避了后续二次极化,操作简单、高效,是压电纳米纤维制备的最重要手段之一。如张林等[59]通过简单的磁场辅助静电纺丝技术制备了平行排布PVDF纳米纤维,实现了其压电传感器在特定方向应变检测的应用可能。Yuan等[60]尝试将BaTiO3引入PAN纳米纤维中制备了用于复合材料实时损伤检测的柔性应变传感器。结果发现BaTiO3纳米颗粒的引入显著提高了压电纳米纤维膜的力/电输出值,然而随着BaTiO3纳米颗粒含量的增加,电压输出呈非单调变化趋势,质量分数15% BaTiO3含量的纳米纤维电压输出可达9.3 V。其他压电聚合物方面,Anwar等[61]以制备高压电相尼龙-11纳米纤维为目标,利用丙酮溶剂的快速蒸发特性调控静电纺丝过程中聚合物相区状态,增加了最终纤维中δ′相比例。实验结果表明,尼龙-11纳米纤维可有效地感应机械振动,能提供高达3.1 μW/cm2的面积功率密度,比基于γ相尼龙纤维的面积功率密度大两个数量级。此外,所制备的工艺优化压电纳米纤维在机械冲击下可产生高达6 V的电压值,可应用于健康监测和便携式能源等领域。上述工作从纤维组成、结构等入手,提升了材料压电传感性能,然而对于多信号功能传感并未做过多探讨。Li等[62]利用静电纺丝技术制备了PAN/三甲胺硼烷(TMAB)复合纳米纤维,成功研制了压电和热释电混合纳米纤维传感器,实现了压电和热释电双信号的集成传感。研究表明,具有质量分数4.0% TMAB含量的PAN/TMAB-4纳米发电机的输出电压和电流能够分别达到2.56 V和0.61 μA,与纯PAN相比分别提高了59.0%和118%。此外,传感材料的输出电流与温度变化速率呈线性相关,随温度梯度的增加而显著增加,由此明确压力和温度叠加效应在电压与电流的输出反馈规律,有助于人体生命体征状态的实时精确监测。

2.3.2 纳米纤维摩擦式传感器

摩擦电式柔性传感器是基于摩擦电纳米发电机(TENGs)而演化发展而来的一种新型自供电力学式传感器,其传感机理是通过不同材料之间的摩擦面接触或分离时产生电荷,将机械能转化电信号[63]。TENG主要有单电极模式、独立层模式、水平滑动模式和接触—分离模式四种工作模式,各种模式均受摩擦层间作用及运动影响,因而接触材料本体性能及纳米尺度表面特性共同决定了摩擦电式传感性能[50]。因此,围绕纳米纤维摩擦电式力学传感器开发,从材料本征摩擦特性入手,辅以物理、化学等方法对材料进行表面纳微米形貌结构加工及表面功能化,以有效提升材料间接触面积、接触特性、摩擦效应等,进而增强摩擦电感应效果,则是当前纳米纤维摩擦电式传感器的研究重点[64-65]。从材料摩擦界面角度思考,Lou等[66]通过纺丝工艺优化制备了PVDF/Ag纳米线(NWs)复合纳米纤维,并进一步通过溶剂相分离法、溶剂蒸发法等实现了纳米纤维表面粗糙度与力学性能提升。研究发现,Ag NWs的引入从两个方面综合提升了传感器的传感性能:1) 诱导PVDF纳米纤维内形成高度取向的晶体β相,增强压电响应;2) 提高纳米纤维表面电荷电势和摩擦电荷的捕获。因此,最终组装的复合传感器表现出优异的力学传感特性,在0～3 kPa和3～32 kPa压力内的灵敏度分别可达1.67 V/kPa和0.20 V/kPa,且经过7 200次循环运行后,其依然表现出稳定的传感特性。Cao等[67]则尝试构建一种具有自由变形摩擦传感器,传感器应用场景和结构如图4(a～b)所示,内部复合纳米纤维结构有助于提升力学性能,并可以进一步提升摩擦作用而自发电柔性传感器的灵敏度。他们将聚偏二氟乙烯—六氟丙烯纳米纤维(PVDF-HFP-NFs)与TPU复合,使得复合薄膜其牵伸性能得到提升,纳米纤维在复合膜表面构造有微型凹凸结构,与离子液体组装成纳米纤维复合传感器。当受力时,复合柔性传感器具有更优异的传感性能,这是因为PVDF-HFP纤维与TPU相比更具摩擦负性;同时PVDF-HFP将在接触分离过程中从模拟皮肤的铜膜上吸引更多的电子。传感器的高灵敏,自适应性确保了其可以集成到眼罩中及人体皮肤表面,用于监测人的睡眠状态及运动(图4(c))。复合膜具有优异的机械性能,稳定的力学性能赋予传感器稳定性,经过18 000次摩擦分离后仍能保持其性能,不同工作条件下(0.5～2.5 Hz)电压为2.5 V,如图4(d)所示。

图4 自发电式柔性传感器的性能测试及应用

3 纳米纤维力学传感器应用

3.1 医疗诊断

纳米纤维力学传感器的可穿戴电子设备应用过程中不受地理和外部环境因素的限制,不仅可监测人体常规生命信号(心率、血压和呼吸频率)还可实现某些特殊器官功能状态进行跟踪,在缓解医疗资源紧张、提升诊断效率、个性化的诊断和治疗,以及慢性病早期筛查方面具有重要意义。Zhong等[68]基于压电传感机理,将由聚四氟乙烯(PTFE)纳米纤维/金电极构成的超薄自供电压力传感器集成于口罩中,实现了口罩过滤功能与呼吸状态监测功能。该智能口罩在气流刺激下便可达到10 V的峰值开路电压,可用于持续监测和分析呼吸状况,包括正常呼吸、快速呼吸、咳嗽和屏气等,在监测与分析COVID-19、肺炎等呼吸相关疾病患者的呼吸模式及预防相关流行病方面有潜在的应用价值。特殊器官功能监测方面,有学者将压电传感纤维引入病人术后输尿管排尿功能与输尿管蠕动功能的恢复状态评价,为临床医师的诊断与拔管时机判断提供了重要参考[55]。上述应用表明,纳米纤维传感器可以监测某些特殊生理信号,为健康管理和医学诊断等提供智能化解决方案,然而受限于医学诊断的严谨性与严肃性,相关应用依然处于探索及实验阶段。

3.2 运动监测

纳米纤维基力学传感器的柔性可穿戴设备在运动监测方面具有极大的应用潜力,将其固定在人体关节、肌肉等处,可实现对人体运动状态的监测与分析,如击打、跑动、跳跃等简单动作和运动时间、运动频率等复杂数据[69]。Han等[70]制备了氧化石墨烯(GO)掺杂聚丙烯腈(PAN)纳米纤维纱线,经原位聚合导电聚吡咯后,将其缠绕于弹性纱线上形成导电复合纱线(GCNF@ECYs)。利用该纳米纤维纱线编织的织物传感器,可以精确地监测人体面部表情、关节活动和后背运动状态。Gao等[71]制备了二氧化硅纳米颗粒/石墨烯修饰PU纳米纤维电阻式应变传感器,并将其应用于人体运动状态监测。二氧化硅纳米颗粒增强了纳米纤维复合材料对外部应变的电阻敏感性,所制备的传感器可精确监控人体大幅度和微小运动状态。综上所述,纳米纤维基传感器可以较为精确地应用于人体运动状态监测,但运动过程中人体运动幅度大且频繁,因此,为提升传感器的应用稳定性与重复性,将柔性纳米纤维传感器嵌入柔性运动装备或与织物面料复合,是解决上述问题的重要手段之一。

随着5G、人工智能、物联网等新基建概念的成熟与发展,柔性技术在人机交互领域的巨大发展潜力得到了广泛关注。柔性传感器的人机交互是指用户通过柔性端口或人机界面实现智能操作或系统交流的过程,如智能手套、柔性键盘等。Zen等[72]提出了一种基于Ti3C2Tx(MXene)/聚乙烯吡咯烷酮(PVP)复合纳米纤维膜的电容式压力传感器,并尝试将其传感矩阵应用于物体形状识别。所制备的传感器可轻易识别“T”“L”“O”“P”等字母,表现出出色的人机界面交互应用潜力。然而,简单的物体识别在某些特殊场景下存在较大的应用局限,且复杂的受力状态及感应评价,是人机交互的更高级需求。因此,在受力特征的二维交互显示等方面,Wang等[73]以负载纳米银纤维(AgNWs)和离子液体(IL)的TPU纳米纤维毡为基体,制备柔性触觉传感器。他们将纳米纤维传感单元排列构成传感阵列(5×5)包裹于人体膝关节,实现了膝关节表面不同受力强度与分布特征的二维云图显示与检测,这为多维度膝关节受力信息的获取提供了一种崭新的交互途径。人机交互因素及媒介众多,受力感知仅是其中一方面,多因素交互感知也应获得关注。Lu等[74]则制备了具有独特树枝/杆状结构的PAN基碳纳米纤维,并将其应用于人体运动与语音交互的应用中。研究结果发现,所研制的复合薄膜传感器具有出色的传感性能,能够通过动作变换实现机械手的手指弯曲、手腕翻转、膝盖和肘部运动的电响应,以及英文字母和单词“sensor”等的发音识别。

3.3 电子皮肤

电子皮肤是由传感阵列所组成的可模拟人体皮肤接受和反馈功能的传感系统,如感知外界压力和温湿度变化等,在医疗健康监测、人机交互、人工智能等领域具有广阔应用前景[75-77]。纳米纤维网状互联结构可赋予电子皮肤理想的传感灵敏性、机械稳定性、可呼吸特性等功能,并满足微型化、个性化电子皮肤发展趋势,因此纳米纤维基电子皮肤展现出巨大应用潜力。Li等[78]基于摩擦电和静电感应效应设计了纳米纤维电子皮肤的复合结构,制备了一种全纤维结构的自供能电子皮肤,突破了纳米纤维机械耐久性较差、力学响应性和透气性难以兼顾等技术瓶颈,实现了电子皮肤灵敏度与可呼吸性能的同步提升。结果显示,所制备的电子皮肤在0～180 kPa的压力内可以实现0.18 V/kPa的力学灵敏度,且具备良好的透气性能,水蒸气透过率可以达到10.26 kg/m2/d。Peng等[79]则基于聚乳酸—羟基乙酸共聚物(PLGA)聚乙烯醇(PVA)纳米纤维制备了具有多层交错纳米纤维网络和三维微—纳米多级孔隙结构的摩擦电式电子皮肤,所设计的纳米纤维结构为接触起电创造了更充分的比表面积,且大量的毛细管通道可促进湿热转移保证穿戴舒适性。所制备的电子皮肤最大峰值功率密度为130 mW/m2,电压响应压力灵敏度为0.011 V/kPa,能够实现呼吸、发声等生理信号和膝关节、踝关节等关节运动的全身监测。因此,受益于纳米纤维丰富的网络结构与纳米级结构,将其应用于电子皮肤,可充分发挥其对温度、压力、湿度和触觉等信息的高灵敏度检测能力,以实现智能假肢和可穿戴电子设备等领域的技术突破。

3.4 柔性机器人

柔性机器人是一类具有柔性结构和变形能力的机器人,能够适应不同环境和任务需求。近年来,将纳米纤维传感器集成到机器人的关键感知部位,如机械臂、手指和身体表面,得到了研究者的广泛关注。其工作机制为借助纳米纤维传感器的集成,柔性机器人可精准感知外界环境(如形变、压力、接触力),进而实现其对物体的精准抓取、力量控制和姿态的自我动态调整。围绕柔性传感器在柔性机器人的自适应控制与学习研究方面,Cui等[80]提出了一种基于PVDF/Fe3O4纳米纤维的具有纤毛启发结构的柔性压电触觉传感器,该传感器由具有纤毛结构的基底、Ag电极、复合纳米纤维膜和纳米纤维保护层组成。通过静电纺丝负载Fe3O4纳米颗粒(Fe3O4NPs)制备了聚偏氟乙烯(PVDF)基纳米纤维,Fe3O4NPs的加入促进了PVDF聚合物中β相的生成,极大地改善了复合纳米纤维的压电性能。制备的传感器具有4.52 V的高输出电压,其循环稳定性可达30 000次,将传感器附着在机械手表面,可识别不同材质的纹理,触摸不同材质输出不同电信号。柔性传感器的应用使得柔性机器人能够更好地适应复杂环境和任务需求,提高其机动性和操作灵活性,并在未来发挥更重要的作用,为人们的生活和工作带来更多的便利和效益。

4 挑战与展望

4.1 挑 战

纳米纤维基力学传感器凭借其高灵敏度、柔软性和可拉伸性等优点,在诸多应用领域展示出广阔的应用前景。然而,纳米纤维柔性传感器的商业化推广与应用仍面临一些关键挑战。

4.1.1 制备技术

纳米纤维的低成本、宏量化制备及其弹性体导电功能的复合加工是其柔性传感应用的最关键挑战之一。目前,已有部分企业开展了纳米纤维宏量化制备生产,但多聚焦于空气过滤等领域,传感应用的纳米纤维制备技术仍有待开发与完善。此外,对纳米纤维的导电功能处理也是未来连续化制备纳米纤维基力学传感器的重要课题。

4.1.2 稳定性和耐久性

稳定性和耐久性是纳米纤维基力学传感器应用的关键指标。然而,当前纳米纤维普遍存在集合体力学强度弱、涂层稳定性差等关键问题。因此,未来通过纳米纤维的本体力学增强、保护层复合加工或表面固化修饰等措施,以提升其应用可靠性也是待解决的关键挑战之一。

4.1.3 可集成与灵敏度

受限于纳米纤维的本体力学特性,纳米纤维基力学传感通常需要与纺织基或无纺布基体复合应用。然而,如何实现纳米纤维基力学传感与上述基底的复合集成,并保证应用传感的灵敏度、精确性问题,是挑战中的关键课题。

4.2 展 望

纳米纤维具有表面效应、小尺寸效应和量子效应等特性,应用于柔性力学传感器开发,可赋予传感器低成本、加工简单、体验感佳、传感性能优异等优势。纳米纤维柔性传感器的应用潜力巨大。通过改进纳米纤维柔性传感器的制备技术、优化传感器性能、以及提升传感器的可靠性和耐久性,将对医疗诊断、运动监测、人机交互、电子皮肤等领域的发展提供极大的动力。

5 结 论

柔性力学传感器可将外部环境力学变化信息(压缩、弯曲等)转化为可读取的电信号输出,是开发生命体征监测、医疗诊断等智能可穿戴器件的重要基础部件之一。目前,纳米纤维基力学传感器主要围绕传感灵敏性、耐久性、多模态检测等功能研究展开,但根据传感机理的不同,对纳米纤维的结构与功能设计也有区别:1) 电阻式传感,围绕高导电性、高弹性与回复性等纤维特性展开研究;2) 电容式传感,围绕表面微结构及低密度、高孔隙率等纤维特性展开研究;3) 自供电式传感,围绕压电/摩擦电效应、接触界面等纤维特性展开研究。因此,从力学传感器中纳米纤维基体研究与开发角度,高效可控的结构与功能设计依然是其研究重点。但从纳米纤维基力学传感器角度,可实现耐用、精确感知的柔性传感器仍是未来研究的重点。研究者仍需利用先进的材料组合和纳米结构设计等手段,构建能够检测和识别压力、拉伸、弯曲和扭转等多种力学刺激,以及温湿度等环境刺激的力学传感器,从而实现更广泛的可穿戴应用。

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