近年來，由于柔性可穿戴電子設備的固有特性，它作為傳統(tǒng)剛性金屬導體在個人健康監(jiān)測、人體運動檢測和感覺皮膚方面的替代選擇，引起了人們的極大興趣。然而，大多數可穿戴傳感器的實際應用普遍受到延展性和靈敏度差、強度不理想、電導率低、感覺功能單一等因素的限制。本文設計了一種基于羧基丁苯橡膠(XSBR)和親水性絲膠(SS)的非共價修飾碳納米管(CNTs)的氫鍵交聯網絡，并將其制成多功能傳感器。復合多功能傳感器能夠檢測弱和大變形, 其檢測下限為1%應變，伸長率高達217%，強度為12.58 MPa，靈敏度高，測量系數高達25.98，電導率為0.071 S m−1，滲流閾值為0.504 wt%。此外，所制備的傳感器還具有高熱響應(0.01636°C
−1)，實現了在人體溫度測量中的應用。多功能、可擴展的XSBR/SSCNT傳感器集成了實時和原位生理信號跟蹤能力，為開發(fā)可穿戴人工智能在人類健康和運動應用領域提供了一條有前景的道路。
Figure 1. XSBR/SSCNT傳感器的制備工藝和表征。a)柔性XSBR/SSCNT傳感器膠乳成膜制備示意圖。b) XSBR/SSCNT薄膜干燥熱壓后宏觀部分(黑體)。c-f) XSBR/SSCNT-1、XSBR/SSCNT-3、XSBR/SSCNT-5、XSBR/SSCNT-7低溫斷口的SEM圖像。
Figure 2. a)添加不同碳納米管的XSBR和XSBR/SSCNT傳感器的FTIR光譜。b) XSBR/CNT-5和XSBR/ SSCNT傳感器的拉曼光譜。SSCNT和XSBR/SSCNT-5的c) O1s和d) N1s的XPS譜圖。e)純XSBR和XSBR/SSCNT傳感器的交聯密度。f)吉布斯自由能和熵變隨碳納米管含量的變化。
Figure 3. 傳感器的應變性能。a) XSBR/SSCNT傳感器膜在200%和400%載荷下的拉伸能力。b) XSBR/SSCNT薄膜在2kg載荷下拉伸性能的照片。c)不同碳納米管含量的純XSBR和XSBR/SSCNT傳感器的拉伸應力-應變曲線。d)不同碳納米管含量的純XSBR和XSBR/SSCNT傳感器的極限拉伸強度比較，e)楊氏模量，f)韌性。g) XSBR/SSCNT傳感器拉伸前后納米結構示意圖。
Figure 4. XSBR/SSCNT傳感器的機電性能。a)不同碳納米管含量的XSBR/SSCNT傳感器電導率。b)電導率與(Φ−Φ
c)/(1−Φ
c)的對數圖。c)與其他報道的導電復合材料的電導率和拉伸應力的Ashby圖。d)以XSBR/SSCNT-5為導體的LEDa(工作電壓9.8 V)在拉伸和彎曲前后的亮度比較。e) XSBR/SSCNT-5在不同菌株下的相對抗性隨時間的變化。f) XSBR/SSCNT-5在300mm min
−1拉伸速率下的典型相對電阻應變曲線。g)在0-3%的應變范圍內，相對電阻隨施加應變的變化。h)在逐漸減小的階躍應變下，從10%到1%施加應變下的相對電阻變化。插圖顯示了XSBR/SSCNT-5在1%應變下的耐久性。i) XSBR/SSCNT-5在5%應變作用下的響應曲線為0.2 s。
Figure 5. XSBR/SSCNT-5的溫度傳感性能。a) XSBR/SSCNT-5在溫度從30℃升高到100℃時的歸一化相對電阻變化。b) XSBR/SSCNT-5電阻隨溫度的變化呈非線性關系。c) Arrhenius圖顯示ln(R)與1000/T呈線性關系。d)傳感器在40 ~ 80℃反復冷卻和加熱過程中具有重復性的溫度識別能力。e)正常狀態(tài)下及置于熱水瓶(60℃)10s . f后前臂皮膚溫度的紅外熱圖像。熱敏傳感器對熱(60℃)和冷(20℃)水的瞬時電響應。
Figure 6.可穿戴式XSBR/SSCNT柔性傳感器的應用，用于檢測各種人體動作和聲音。相對阻力隨a)手腕彎曲運動的照片和b)相應的信號而變化。c)彎曲肘部。d)裝配在膝關節(jié)上的傳感器光學圖像，以及相應的e)屈/伸、蹲、跳信號;f)慢走-快走，慢跑-跑。g)柔性應變傳感器監(jiān)測腕脈的相對電阻變化。插圖顯示了手腕上的傳感器(左)和單個脈沖信號(右)的照片。h)監(jiān)測微笑微小肌肉運動時傳感器信號的響應性。插圖:撲克臉和微笑臉的照片。i)當佩戴者說“我是”、“橡膠”、“學校”、“傳感器”、“歡迎”時的發(fā)音。“j)附著在腹部的傳感器的光學圖像，以及k)兩種不同呼吸模式，深呼吸和淺呼吸的相應信號。
Figure 7. a,b)無線檢測XSBR/SSCNT傳感器外部連接示意圖和光學圖像c)通過手機app接收手指彎曲運動數據d)使用XSBR/SSCNT傳感器作為行動受限患者的警報或警告。e,f)跑步時的電流變化，并降低“人工發(fā)熱”。g,h)“人工發(fā)熱”前后人類前額的紅外熱像圖。
相關研究工作由廣西大學Chuanhui Xu 課題組于2021年發(fā)表在《ADVANCED MATERIALS》上，原文：A High-Performance, Sensitive, Wearable Multifunctional Sensor Based on Rubber/CNT for Human Motion and Skin Temperature Detection。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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