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  柔性類皮膚觸覺傳感器是受皮膚功能啟發(fā)的一種電子器件，可以用在人機(jī)交互、健康監(jiān)測(cè)、智能傳感等領(lǐng)域。近年來三維多孔材料在應(yīng)用于柔性壓力傳感器中具有突出表現(xiàn)，但存在壓力靈敏性不高、功能單一、制備復(fù)雜等缺點(diǎn)。

  清華大學(xué)馮雪教授課題組報(bào)道了一種通過靜電紡絲和高溫碳化制備的一種三維多孔碳納米纖維網(wǎng)狀材料，其不僅具有優(yōu)異的力學(xué)性能和壓阻特性外，還同時(shí)兼?zhèn)涑p、疏水等特性，拓寬了此類材料在柔性類皮膚傳感器中的應(yīng)用。利用此材料制備的壓力傳感器具有高的壓力靈敏性，可以探測(cè)與人體壓力相關(guān)的生理參數(shù)，例如脈搏、發(fā)聲、呼吸和關(guān)節(jié)活動(dòng)。

圖1.通過靜電紡絲和高溫碳化制備碳納米纖維網(wǎng)狀材料

圖2.柔性類皮膚壓力傳感器的實(shí)物圖和示意圖

  通過靜電紡絲直接生成三維絮狀物，然后高溫碳化成三維多孔壓阻材料，打破了靜電紡絲成薄膜的局限思維，得到的材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，展現(xiàn)出良好的柔性可以實(shí)現(xiàn)彎曲和扭轉(zhuǎn)，并且能達(dá)到95%的壓縮會(huì)彈性；優(yōu)異的壓阻特性使其能夠作為壓力傳感器使用，異面電極引線可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)1.41kPa^-1的壓力靈敏性，遠(yuǎn)高于同類三維壓阻材料的靈敏性；同面電極引線方式也能實(shí)現(xiàn)較高的靈敏性，可以減少在其作為壓力傳感器循環(huán)工作時(shí)皮膚和電極接觸產(chǎn)生的破壞。除了優(yōu)異的力學(xué)性能和壓阻特性之外，同時(shí)還兼?zhèn)涑p性、疏水性、低的導(dǎo)熱系數(shù)，拓寬其作為電子皮膚的應(yīng)用范圍，例如疏水性可以保證器件在濕潤(rùn)環(huán)境下工作，超輕性可以使傳感器可以探測(cè)到氣流吹動(dòng)。利用此材料設(shè)計(jì)了一種類皮膚柔性壓力傳感器，通過半浸潤(rùn)碳納米纖維泡沫，使其一半露出一半浸潤(rùn)在Ecoflex中，就好像人體的皮膚，露出部分相當(dāng)于人體汗毛可以感知到輕微壓力和氣流吹動(dòng)，浸潤(rùn)的部分類似于人體皮膚使器件更加牢固穩(wěn)定，引線電極類似于人體神經(jīng)用于傳輸信號(hào)；同時(shí)還提出了一種用于側(cè)向力方向識(shí)別的陣列傳感器設(shè)計(jì)思路。

圖3. 與壓力相關(guān)的生理健康參數(shù)監(jiān)測(cè)：聲音識(shí)別、探測(cè)脈搏

  利用該材料展現(xiàn)出的優(yōu)異力學(xué)性能和壓阻特性制備出了具有高壓力靈敏性的類皮膚壓力傳感器，可以探測(cè)微小變形和壓力，如貼在手臂橈動(dòng)脈可以探測(cè)脈搏、貼在鼻孔下可以監(jiān)測(cè)呼吸、貼在喉嚨處可以探測(cè)發(fā)聲時(shí)的微小振動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)聲音識(shí)別功能；同時(shí)還能探測(cè)比較大的變形，如手指關(guān)節(jié)處的彎曲活動(dòng)等。此論文研究對(duì)生理健康監(jiān)測(cè)具有重要意義。該成果以“Fabrication of highly pressure-sensitive, hydrophobic, and flexible 3D carbon nanofiber networks by electrospinning for human physiological signal monitoring”為題在線發(fā)表在《Nanoscale》期刊上。

  論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/nr/c8nr08341j#!divAbstract