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引言

  可穿戴運動傳感器在過去幾十年中取得了長足的進步，可廣泛地應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、電影、體育、互動式游戲、機器人控制等領(lǐng)域，然而目前其發(fā)展仍舊面臨著許多嚴峻的挑戰(zhàn)。特別是，人體運動過程中的大幅度形變會降低或損壞傳感器件的功能和結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)的薄膜狀運動傳感器因其固有的平面結(jié)構(gòu)導致拉伸性能受到嚴重抑制，并且其靈敏度也受到影響。此外，現(xiàn)有的可拉伸式傳感器主要基于外力誘導的電容或電阻的變化，通常需要提供額外電源，從而其使用環(huán)境和使用壽命受到影響。因此，發(fā)展具有高拉伸性、高靈敏度、自供能的環(huán)境適應(yīng)性可穿戴運動傳感器十分必要。

成果簡介

  近日，東華大學王宏志教授、張青紅研究員（共同通訊作者）等人在Nano Energy發(fā)表了題為 “A wearable, fibroid, self-powered active kinematic sensor based on stretchable sheath-core structural triboelectric fibers”的研究論文，博士生龔維和青年教師侯成義為論文共同第一作者。

  研究團隊通過對芯纖維進行內(nèi)置波浪式設(shè)計，使得整個裝置具有超高的拉伸性（應(yīng)變300%），以及高達100%的工作應(yīng)變；通過控制芯纖維與可拉伸皮纖維管進行有效接觸，使得器件不僅具有高的拉伸靈敏度，而且具有高的壓縮和彎曲靈敏度，從而獲取具有高拉伸性和高靈敏度的可拉伸皮芯結(jié)構(gòu)摩擦電纖維（stretchable sheath-core structural triboelectric fibers, SSCTEF）。

  該團隊將此纖維應(yīng)用于可穿戴式傳感器領(lǐng)域，構(gòu)建了全電位的人體監(jiān)測系統(tǒng)，既可以實時監(jiān)測人體關(guān)節(jié)運動，也可以通過編織技術(shù)實現(xiàn)人體受力的空間分辨，還可以識別人體織物的受力方向與大小。在摩擦納米發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，該團隊第一次利用內(nèi)置波浪結(jié)構(gòu)設(shè)計了可拉伸摩擦電纖維，這種技術(shù)可以擴展到其他柔性電子領(lǐng)域，以構(gòu)建可拉伸功能器件，給全電位可穿戴式拉伸傳感器提供了全新的研究思路，同時有力的促進了可拉伸材料在摩擦納米發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動人機交互系統(tǒng)服務(wù)人類。

圖文導讀

圖一：SSCTEF的結(jié)構(gòu)和工作機理

(a) 工作期間，SSCTEF運動狀態(tài)示意圖；

(b) 將類“金箍棒”的SSCTEF貼合于人體各處，用于構(gòu)建全電位人體監(jiān)測系統(tǒng)；

(c) 在SSCTEF預(yù)拉伸時，摩擦電荷產(chǎn)生過程示意圖；

(d) 在SSCTEF拉伸收縮期間，電荷產(chǎn)生與轉(zhuǎn)移過程示意圖；

(e) 在不同應(yīng)變下SSCTEF電勢分布的有限元仿真。

圖二：SSCTEF作為主動式運動傳感器的應(yīng)用

(a)、(b)維的走路方式與特征信號；

(c)、(d)龍的走路方式與特征信號；

(e)、(f)程的走路方式與特征信號；

(g) 肘部彎曲時，SSCTEF的測試信號。

圖三：SSCTEF應(yīng)用在二維傳感系統(tǒng)

(a)基于SSCTEF的壓力傳感器墊的俯視圖和工作機理；

(b)、(c)當一組SSCTEF在交叉點被壓縮50%時測得的輸出電壓對；

(d)十字架結(jié)構(gòu)傳感系統(tǒng)4個方向被同時拉伸時的俯視圖和特征信號；

(e)十字架結(jié)構(gòu)傳感系統(tǒng)1、2和3、4方向先后同時被拉伸時的俯視圖和特征信號；

(f)十字架結(jié)構(gòu)傳感系統(tǒng)4個方向依次被拉伸時的俯視圖和特征信號。

  論文鏈接：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221128551730472X