顶刊AM|超快速响应/恢复柔性应变传感器

1. 论文ID

原名： Ultrafast-Response/Recovery Flexible Piezoresistive Sensors with DNA-Like Double Helix Yarns for Epidermal Pulse Monitoring

译名：用于表皮脉冲监测的具有DNA双螺旋样式的超快速响应/恢复柔性应变传感器

期刊：Advanced Materials

IF：30.846

通讯作者：Jinlian Hu

通讯作者单位：香港城市大学

DOI号：https：//doi.org/10.1002/adma.202104313

2. 导读

近年来，通过监测生理信号进行长期医疗保健、远程医疗诊断的便携可穿戴智能传感技术越来越受到人们的关注。其中，表皮脉冲作为一种重要的身体信号，收集到的数据可以很好地用于医疗或自我调理，因此，提出新一代医疗或自我调节的压力传感器显得特别重要。由于纺织材料具有良好的柔韧性和变形能力，并且以此材料为基体的皮肤传感器能够实时、连续地收集表皮脉冲信号，并能承受剪切、弯曲和压缩等不同的力，因此受到用户青睐。然而，脉动电信号在加载-卸载周期中的滞后西现象几乎是所有纺织传感器中最突出和不可避免的问题。

鉴于此，香港城市大学胡金莲教授团队受DNA螺旋结构的启发，提出了一种超快速响应/恢复压力应变传感器，并通过理论分析和仿真建模，全方位揭示了该材料的提升机理。相关工作以“Ultrafast-Response/Recovery Flexible Piezoresistive Sensors with DNA-Like Double Helix Yarns for Epidermal Pulse Monitoring”发表在《Advanced Materials》上。

3. 图文速递

3.1 材料的制备与形貌

图1. 螺旋式结构纺织材料的制备与形貌。

▲1-图解：利用层次化纺织结构组装柔性压力传感器。a）平针编织织物示意图；b）双螺旋结构的捻线（插图显示的是元DNA结构）； （c） 具有芯鞘结构的纤维 ；d-f）显示织物、纱线和纤维的表面形态的电镜扫描图；g）夹芯式纺织压力传感器设计；h）织物传感器具有良好的柔韧性；i）在创可贴表面组装的纺织传感器原型。

结果表明，受DNA双螺旋扭曲结构的启发，采用包芯纤维、双螺旋绞纱和平纹针织物，自下而上地设计了分层织物结构。这种双螺旋结构不仅是纺织材料导电的关键，还可以提高加捻纱的机械性能，从而形成稳定、结实的织物。准备好的导电织物被裁剪成特定的尺寸，并与其他传感器单元集成形成三明治结构，然后，将纺织层组装在一对定制的软金电极，最后对纺织单元进行凝胶封装，使传感器结构被PEN膜覆盖，即得到理想的纺织传感器并且它可以轻而易举地附着在创可贴等表面工作。

3.2 纺织材料的传感性能

图2. 使用/不使用加捻纱线的纺织传感器的传感性能。

▲2-图解：不同的纺织传感器性能，有/无捻纱。a）在800 kPa的压力下，记录无捻纱线制成的纺织传感器的加载卸载转移曲线。b）同类型未加捻纱线的纺织传感器，在减压30kpa的情况下，采集到的数据波动。c）在压力为800 kPa的条件下，由捻线纱制成的纺织传感器的典型加载卸载循环。d）在30 kPa的压力下，对加捻纱线的纺织传感器进行三次连续上下料。转移曲线为线性，数据点无明显波动。e）根据（b）和（d）的数据，比较了有/没有加捻纱线的纺织品传感器的变化和线性度。f）比较了（b）和（d）三个单独周期和平均周期的迟滞，以显示在加捻纱线存在时传感器的优越性能。

结果表明，用非捻纱制成的纺织传感器在这个压力范围内表现出较大的滞后和较差的线性，很难满足精确脉冲监测的要求。然而，经加捻处理后，纺织传感器改变了输出曲线，在高压下呈现良好的线性关系，滞后明显降低，低压下的稳定性也显著改善。结果表明，加捻纱的变化量、线性度和滞后效应分别是加捻纱的7倍、2.5倍和6.5倍，在三个完整循环中可保持较好的稳定性，该现象说明可以通过双螺旋结构实现低滞后。

3.3 理论分析和仿真探究其增强机理

图3. 纺织传感器性能及其在表皮脉搏检测中的应用。

▲3-图解：通过理论分析和仿真，揭示了双螺旋结构的优越性。a）无捻纱和捻纱理想的层次结构；b） 在纱线中被捻成螺旋状的长丝的整体外观；扭丝在压缩过程中的展开图；d）显示径向矢量的螺旋丝的俯视图；e，f）利用有限元法模拟加卸载过程中捻/未捻纱的变形。

从拓扑学和能量原理来分析：实际上，无捻纱和捻纱的层次结构可以简化为理想的平行长丝结构和双螺旋结构，细丝堆叠像木桩，平行填充中的纤维在压缩过程中有一个滑动的中心主链，它允许自由无法控制的交错或运动，导致了其错位的几率增大。而对仿生DNA螺旋结构的捻丝而言，长丝的螺旋形态沿外形形成均衡的应力分布，加捻过程对长丝施加外部扭矩功，使长丝发生各种变形，主要包括伸长、弯曲和扭转。在双螺旋结构中，由于加捻引起的应力作用，长丝之间能够紧密接触，从而产生合股纱的约束力。此外，长丝和单纱不仅受到平行长丝结构中接触点的压缩和支撑，它还会随着曲率角的增大而发生弯曲变形，增大了纱线的势能，根据最小能量原理，受弯单纱通过释放弯曲势能而恢复到原始状态，这也有助于合股捻纱较平行长丝更容易恢复初始形态，滞后效应最小。与此同时，在径向压缩的作用下，织物的弯曲能和扭转能增加，只要适当加捻，具有良好弹性的长丝就可以使所设计的压力传感器获得良好的恢复性能和较低的滞后。

另外，为了支持实验结果和相关理论，研究人员采用有限单元法模拟了纱线间的相互作用，进一步阐明了双螺旋结构在抗迟滞和松弛方面的优势。在这里，捻纱中的多丝被简化为两股，几乎完全恢复。对于无捻纱，在卸荷过程中，由于纤维间的摩擦和纠缠，部分纤维不能完全恢复到初始状态。具有双螺旋结构的纺织传感器的响应时间和弛豫时间均仅为2和2 ms，这是由存储的扭转力量所实现的超快恢复。该仿真结果与传感器在线性、变化、迟滞等方面的不良性能非常一致，如图2a，b所示。

3.4 纺织传感器在医疗监测中的应用

图4. 塑性区有限元分析。

▲4-图解：（A）纺织传感器的性能及其在表皮脉冲检测中的应用。a） 纺织传感器的超快响应/松弛时间（1kHz采样率）。b）作为响应时间函数的基于纺织品的压力/应变传感器的RI。c）在30到100 kPa的三种不同压力下在1Hz触发（每秒1个循环）下测试的纺织传感器的耐用性。d）纺织传感器对谷物装载和卸载的电流响应。e）通过纺织传感器检测颈部或手腕上的表皮脉搏。f）运动前后监测手腕脉搏信号。g）从正常女性志愿者和诊断为窦性心动过缓的男性志愿者收集的手腕脉搏信号。h）根据 （g）的结果，每个完整循环中的相关信号峰值。P1和P2分别是冲击波和潮汐波。ΔT是冲击波和潮汐波之间的时间。i） 正常女性志愿者和诊断为窦性心动过缓的男性志愿者之间的AI和 ΔT 的比较。

结果表明，在将传感器投入实际应用之前，经过多次循环测试后检验其耐久性是关键步骤。该研究团队研制的纺织传感器可以在6000个测试周期下和广泛的工作电压范围内保持耐用和可重复的性能，可应用于检测微妙的压力或运动的健康监测。利用纺织传感器，通过分析脉搏波形、频率和幅度，可以灵活地判断人体是否存在潜在疾病（如心脏病、高血压、血管老化、动脉硬化等）。

3.5 纺织传感器在中医的潜在应用

图5. 纺织传感器在医疗中的潜在应用。

▲5-图解：纺织传感器在医疗中的潜在应用。a） 1×3 传感器阵列附着在“寸”、“关”和“尺”位置用于脉搏检测。b）不同压力下“关”位置的脉搏信号，由腕带调节以模拟脉搏期间的“浮”、“中”和“沉”三个压力级别触诊。

结果表明，鉴于脉搏触诊需要压力，压力传感器可以最大限度地模拟实际的手指感觉，借助传感器装置可使脉冲波形的特征参数由算法阐明和量化，有望使中医”问脉”现代化和规范中医诊断。为了更好地模拟触诊，研究人员开发了1×3传感器阵列来测量太渊、太陵穴、神门穴位置的脉搏信号，发现在太陵穴位置，纺织传感器能够区分不同压力下的特征峰。

4 小结

纺织传感器的一个关键挑战是充分解决滞后，以更广泛和精确的应用。与将弹性聚合物整合到纺织品中的传统策略不同，通过纱线的结构设计来提供扭转力，滞后性问题得到了关键的解决。在理论和建模的基础上，对其机理进行了充分的探讨，与实验数据吻合较好。令人印象深刻的是，在恢复指数方面，压力传感器优于几乎所有报道的基于纺织品的传感器，这是指克服滞后变形的能力，反映在滞后（5.3 %）和松弛时间（2毫秒）。此外，传感器的超快响应时间（2 ms）也证明了其优越性。由于这些优点，该压力传感器能够监测表皮脉冲，同时对推动中医脉诊的标准化和现代化有很大的潜力。