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  應(yīng)力傳感器是把外部機械刺激轉(zhuǎn)換成電阻變化輸出的一種新型傳感器，其在人體運動檢測、人體健康監(jiān)測、機器人等新興應(yīng)用領(lǐng)域中具有重大的應(yīng)用前景。衡量應(yīng)力傳感器性能有兩個重要指標，一個是感應(yīng)靈敏度，另一個是工作形變范圍。

  近日，南開大學梁嘉杰課題組首次利用了三種低維納米材料的協(xié)同效應(yīng)，很好地解決了應(yīng)力傳感器中高靈敏度與大工作形變的矛盾，極大的提高了應(yīng)力傳感器的器件性能。該傳感器可通過簡單的、低成本的絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備。相關(guān)成果發(fā)表于《先進功能材料》，材料科學與工程學院梁嘉杰教授為通訊作者。

  “傳統(tǒng)的應(yīng)力傳感器中，如果要實現(xiàn)高的靈敏度就必須利用堅硬的脆性的材料，而想保持大的工作形變范圍就需要用到具有優(yōu)秀柔性或彈性的材料，兩者間的矛盾一直成為應(yīng)力傳感器發(fā)展的重要難題。”梁嘉杰介紹，由于材料結(jié)構(gòu)的限制，傳統(tǒng)的應(yīng)力傳感器難以同時具有高的靈敏度以及大的工作形變范圍。梁嘉杰課題組設(shè)想能否利用多種納米功能材料的協(xié)同效應(yīng)，通過在剛性的具有層狀結(jié)構(gòu)主體材料中引入摩擦系數(shù)低的客體材料來提高主體材料的柔性，以此解決這個困擾科學家很長時間的難題。

  基于此設(shè)想，梁嘉杰課題組利用三種低維材料的協(xié)同效應(yīng)——零維的富勒烯，一維的金屬銀納米線，以及二維的氧化石墨烯，制備出一種三元納米復合材料。其中，一維的具有線狀結(jié)構(gòu)的銀納米線提供優(yōu)異的導電性，二維的具有片層結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯提供材料的脆性以及可滑移的層狀結(jié)構(gòu)，零維的球狀的富勒烯具有潤滑性，可以降低材料的內(nèi)摩擦，使得層狀氧化石墨烯可以滑移。同時，該新型的應(yīng)力傳感器可以通過印刷法一步打印成型，具有重復性好，制備過程簡單等優(yōu)勢，為實現(xiàn)真正的產(chǎn)品化提供很好的材料基礎(chǔ)。

  該課題組還把該新型的可穿戴的應(yīng)力傳感器穿戴在人體不同部位，用于全范圍的人體運動的檢測中，其中可以檢測人手腕上由于脈搏跳動引起的微小的皮膚運動變化，并且把人體脈搏跳動的3個特征峰清晰的檢測出來；同時，穿戴在頸部喉嚨位置，可以清楚的檢測出人體聲帶發(fā)聲并辨認出不同的音節(jié)變化；此外，具有大形變的人體關(guān)節(jié)運動變化也能檢測出來。

  梁嘉杰介紹，該傳感器可以在很大的工作形變范圍內(nèi)保持很高的響應(yīng)靈敏度，同時還具有響應(yīng)速度快，信號重復性好，工作穩(wěn)定性高等優(yōu)點。目前正在積極對接協(xié)調(diào)，推動該應(yīng)力傳感器在與人體運動檢測和人體健康監(jiān)測相關(guān)的可穿戴設(shè)備中得到應(yīng)用。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201800850