面向人体运动检测的水凝胶基柔性应变传感器设计

张冬至， 邵佳慧， 刘希臣， 周兰娟， 陈 璨

（中国石油大学（华东）控制科学与工程学院，山东 青岛 266580）

0 引 言

近年来，柔性器件与可穿戴电子设备越来越受到关注，使得柔性传感器有了更多的应用潜力［1-3］。柔性传感器因能用于可穿戴器件和人体生理信号监测而逐渐成为研究热点［4］。然而，传统的应变传感器通常存在拉伸性能差、导电填料和弹性体之间相容性差等问题，导致与其相关的设备体积大、质量大、应用场合有限，无法兼顾便携和灵活的要求［5］，因此开发具有高拉伸性能、高灵敏度、良好稳定性的柔性应变传感器具有重要的现实意义。

柔性应变传感器主要是由活性材料及柔性基底或者基质构成，常见的可弯曲柔性基底材料包括聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酰胺（PAM）、聚酯（PET）、聚酰亚胺（PI）等［6］。在使用柔性应变传感器时将其稳固地贴在被测试件表面上［7］，试件受力发生形变时传感器内敏感材料发生相应形变，电阻随之发生变化。基于电阻与应变之间的数量关系，可以得到被测试件应变量［8］。柔性传感器能够把不同的外界刺激转变为电信号，通过模仿人体皮肤的感官功能来感知外界物理量变化［9］。

水凝胶是一种极为亲水的三维网络结构凝胶，在水凝胶中加入导电物质可使水凝胶具有良好的导电性，满足应变传感材料的要求［10-12］。水凝胶具有生物相容性好、可拉伸性好、与人体软组织结构相似等特点［13-14］，因此常被用作可穿戴传感器的理想基体材料。采用聚丙烯酰胺、纤维素纳米晶（CNCs）、单宁酸（TA）构建了一种具有高拉伸性能、低能量耗散以及响应速度快、重复稳定性良好的导电水凝胶基柔性应变传感器，研究了其拉伸应变和电学性能之间的关系以及该传感器在人体运动中大应变与小应变信号检测的响应性能。

1 实验材料与传感器制备

1.1 材料选择

实验材料主要包括聚丙烯酰胺、纤维素纳米晶、单宁酸等。聚丙烯酰胺是一种由丙烯酰胺为原料合成的均聚物，无毒、链长，具有自愈合、导电、抗冻和增韧等性能。纤维素纳米晶具有高拉伸强度、高弹性模量、高生物相容性和高反应性，可作为水凝胶的增强填料。单宁酸富含邻苯三酚、儿茶酚基团和酚羟基，有利于水凝胶机械性能、自愈性能、黏附性能的改善。

1.2 传感器制备

采用纤维素纳米晶、丙烯酰胺、单宁酸制备纳米复合水凝胶的过程如图1 所示。

图1 复合水凝胶制备过程

将2.86 g 纤维素纳米晶加入40 mL 去离子水中电磁搅拌6 h后，得到纤维素纳米晶悬浮液（质量分数0.1%）。取10 mL纤维素纳米晶溶液，在磁力搅拌下加入2.5 g 丙烯酰胺、60 mg 硫酸铵和120 μL N，N，N′，N′-四亚甲基乙二胺（质量分数0. 1%），搅拌15 min使引发剂溶解，随后加入单宁酸搅拌20 min 以产生均匀的溶液。在0 ℃冰水浴下加入20 μL四甲基乙二胺溶液，搅拌15 min 后在60 ℃干燥箱中加热3 h，得到所需的水凝胶基敏感材料。

1.3 实验测试平台搭建

为了检测聚丙烯酰胺-纤维素纳米晶-单宁酸导电水凝胶基柔性应变传感器的机械、电学性能，搭建了测试平台，如图2 所示。通过拉伸试验机对应变范围、拉伸速率等参数进行设定。采用Keysight 34470A 阻抗分析仪进行传感器电阻数据采集，可对采样点数、采样频率、保持时间等参数进行设定。

图2 柔性应变传感器测试平台

2 结果分析与讨论

2.1 柔性应变传感器性能测试

采用拉伸试验机进行柔性应变传感器的机械性能测试。水凝胶样品为长4 mm、宽17 mm、厚3 mm的矩形切片，实验中拉伸速率为80 mm/min。拉伸断裂测试是在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的实验方法，如图3（a）所示。所制作的水凝胶在2 900%的应变下才发生断裂，表明其具有较优异的拉伸性能。

图3 柔性应变传感器的机械性能测试结果

滞回曲线是指受到外力作用时的应变-应力曲线，水凝胶滞回曲线如图3（b）所示。通常采用加载和卸载曲线之间形成的应力-应变曲线面积来评价变形过程中的能量损失。由图3（c）可见，水凝胶在加载-卸载的第1 次循环拥有最大的能量耗散，随着循环次数的增加，能量耗散逐渐减少，能量耗散源于纤维素纳米晶表面与聚丙烯酰胺之间氢键的解离。在低应变（≤100%）的连续加载和卸载周期中，没有明显的滞后，最大的损失能量仅为3.88 kJ/m3，最小低至2.87kJ/m3，表明该水凝胶网络没有永久性损伤，水凝胶保持弹性。图3（d）为水凝胶在受到不同外力作用时的应力-应变曲线，测试时拉伸长度分别为试件初始长度的100%、200%、300%、400%、500%，水凝胶经拉伸后可恢复其初始状态。通过数据采集仪获取传感器电阻信号，由电阻相对变化（ΔR/R0）反映传感器应变灵敏度，定义传感器应变因子为

式中：ΔR为柔性应变传感器电阻变化；R0为柔性应变传感器未发生应变时的初始电阻；ΔL为柔性应变传感器拉伸相对变化量。

灵敏度是衡量传感器性能的一个重要指标，该传感器的灵敏度测试结果如图4（a）所示。应变响应可以分为2 个区域，在每个区域内柔性应变传感器对应变的响应呈现线性增加并为正斜率，表明具有良好的传感特性，可以通过电阻的相对变化反映应变大小。如图4（b）所示，在150%拉伸应变下，柔性应变传感器响应时间为280 ms，恢复时间为320 ms，具有响应、恢复时间快的优点。对柔性应变传感器进行拉伸测试，拉伸速率分别为30、60、90、120 mm/min，结果如图4（c）所示。在相同应变不同拉伸速率下，ΔR/R0基本稳定且可重复，表明该柔性应变传感器具有优异的稳定性和重复性。

图4 柔性应变传感器电学性能测试

在小应变1%、2%、3%、4%和大应变100%、200%、300%、400%下对水凝胶进行加载-卸载重复实验，测试结果如图5 所示。柔性应变传感器可跟踪大范围应变变化，而且重复性良好。对传感器在50%应变下进行了320 次加载-卸载连续循环测试，结果如图6（a）所示。结果表明，柔性应变传感器的相对电阻几乎没有明显变动。将水凝胶放置10 d 后的连续循环测试结果如图6（b）所示，相对电阻信号变化稳定，表明该传感器具有良好的电学稳定性。

图5 柔性应变传感器不同应变下相对电阻变化

图6 柔性应变传感器重复稳定性测试

2.2 柔性应变传感器对人体运动信号的检测

水凝胶能够很好地附着在人体的不同部位，用于检测不同肌肉运动时的应变差异。水凝胶电阻随着其拉伸变形的增加而增加。由于聚丙烯酰胺-纤维素纳米晶-单宁酸水凝胶具有强附着力，所制备的柔性应变传感器可以直接应用于手指关节、手腕、喉部等处，因此研究了该柔性应变传感器对人体运动时大应变的响应。将传感器贴附在手指第2 个关节处，当手指弯曲时，柔性应变传感器感应到手指关节的拉伸，导致阻力增加。测试了手指弯曲角度呈0°、30°、60°、90°阶梯状变化时柔性应变传感器的相对电阻响应情况，如图7（a）所示。传感器的相对电阻有明显的阶梯变化，并且随着手指弯曲角度的变化呈现一定的线性度。将柔性应变传感器贴附在志愿者手腕处，将手腕从水平状态缓慢变成弯曲状态。从图7（b）可以看出，柔性应变传感器对该活动进行了快速、稳定的响应，不仅可以产生三角波形，还可以产生方波波形。将柔性应变传感器贴附在志愿者手肘处，志愿者以不同幅度晃动手臂。从图7（c）可以看出，在相同的弯曲角度下ΔR/R0值变化幅度很小，而当弯曲角度增大时，ΔR/R0值相应增大。柔性应变传感器可以连续检测不同幅度的手臂摆动，具有良好的稳定性。在志愿者膝盖处贴附柔性应变传感器，志愿者分别以不同幅度弯曲小腿。如图7（d）所示，所有的信号都是周期性的、可重复的，ΔR/R0的输出与膝盖的重复运动完全同步，具有实时跟踪检测的能力。

图7 柔性应变传感器对人体运动大应变信号的检测

此外，还研究了柔性应变传感器对人体运动时小应变的响应，如图8 所示。

图8 柔性应变传感器对人体运动小应变信号的检测

将该传感器贴附在志愿者手指第2 个关节处，进行点击鼠标的操作，如图8（a）所示。在点击鼠标的一刻，传感器的相对电阻立刻上升，放松手指后又恢复至初始值，经过多次相同程度的弯曲后，输出数值也比较稳定，进一步表明该传感器的稳定性较好。将柔性应变传感器附着在喉部，进行人体运动时不同部位微小形变的检测。如图8（b）所示，当志愿者连续吞咽水时，传感器可以准确、重复地输出ΔR/R0信号。吞咽时喉部肌肉压缩，导致贴附于其上的水凝胶也相应压缩，电阻响应输出负值，可利用ΔR/R0信号的正负值来反映喉部肌肉的变化。各种单词的发音可以通过柔性应变传感器响应的波形来区分，如图8（c）所示，记录了志愿者朗读“Hello”和“How are you”时的特征曲线，其中“Hello”的发音为双峰，“How are you”的发音出现3 个峰，因为“Hello”是双音节，“How are you”由3 个单音节组成。结果表明，所制备的柔性应变传感器可以感知细微运动，具有优异的应变敏感性和出色的导电稳定性，为可穿戴设备人体运动检测提供了更多的可能性。

3 结 语

随着可穿戴设备、电子皮肤等领域的飞速发展，研究人员努力开发更多的柔性电子设备。制作了基于聚丙烯酰胺/纤维素纳米晶/单宁酸的导电水凝胶基柔性应变传感器，并开展了面向人体运动检测的实验，对传感器的性能进行了分析。利用水凝胶的黏附性，将其直接贴附于皮肤，对手肘、膝盖、手腕等关节弯曲的大应变以及喉部吞咽、声带发声的小应变进行测试，验证了所制备水凝胶基柔性应变传感器在面向人体运动检测时的稳定性和可靠性。