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  傳統(tǒng)的應(yīng)變傳感器通常由金屬或半導(dǎo)體材料制備，其拉伸范圍有限（通常小于5%），不適合在可穿戴設(shè)備中使用。泡沫式柔性應(yīng)變傳感器因其重量輕、透氣性好、靈敏度高備受人們關(guān)注，可以作為一種可穿戴傳感器，用于監(jiān)測人體的關(guān)節(jié)運(yùn)動、聲帶振動等信號，在柔性電子領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用前景。然而，目前開發(fā)的泡沫式柔性應(yīng)變傳感器很難既具有很高靈敏度又具有很寬檢測范圍，限制了其廣泛的應(yīng)用。因此，亟需開發(fā)具有更寬工作范圍和更高靈敏度的高性能的新型泡沫式柔性應(yīng)變傳感器。

  為了同時提升泡沫式柔性應(yīng)變傳感器的靈敏度和工作范圍，南京工業(yè)大學(xué)先進(jìn)材料研究院的黃維院士、于海東、孫庚志和呂剛教授團(tuán)隊結(jié)合鹽模板法和浸涂法，制備了由熱塑性聚氨酯(TPU)、多壁碳納米管（MWCNTs）和Ti₃C₂T_x MXene構(gòu)成的導(dǎo)電泡沫式材料；該TPU/MWCNTs@MXene泡沫式材料可以用來制備一種輕質(zhì)、易加工、極靈敏的柔性應(yīng)變傳感器，在可穿戴傳感器方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1. 泡沫式柔性應(yīng)變傳感器的制備流程

  將上述TPU/MWCNTs@MXene導(dǎo)電泡沫式材料用來制備壓阻式應(yīng)變傳感器，該器件表現(xiàn)出了高達(dá)100％的傳感范圍、很高的靈敏度（GF = 363）和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性；上述性能優(yōu)于已有報道的泡沫式應(yīng)變傳感器。此外，這種新型泡沫式材料具有優(yōu)良的透氣性能和與皮膚相近的彈性模量，可以大幅度提升用來制備可穿戴傳感器的舒適性。

  為了展示該導(dǎo)電泡沫式材料在可穿戴式應(yīng)變傳感器研究的應(yīng)用，研究者將其貼附于人體的不同部位來檢測人體運(yùn)動。這種應(yīng)變傳感器不僅對大幅度的運(yùn)動（比如肩關(guān)節(jié)、肘部和膝蓋的曲伸）具有出色的響應(yīng)能力，還可以用來捕獲微弱的生理信號（比如聲帶振動和手指彎曲）。

圖2. 應(yīng)變傳感器用于監(jiān)測人體運(yùn)動。（a-c）穿戴式傳感器對（a）肩關(guān)節(jié)；（b）肘部；（c）和膝蓋彎曲的響應(yīng)信號變化；（d）口腔張開/閉合傳感器的實時相對電阻變化；（e）在發(fā)單詞“I”、“A”和“M”時，傳感器對聲帶振動的響應(yīng)；（f）手指彎曲的響應(yīng)信號變化

  為了探索該泡沫式柔性應(yīng)變傳感器在手勢識別和人機(jī)交互中應(yīng)用前景，研究者還將多個傳感器分別安裝在五根手指上，手勢變化時可以測得不同的信號，表明該傳感器可用于監(jiān)測手勢變化，在手勢識別、手勢控制等人機(jī)交互相關(guān)的應(yīng)用中具有巨大的應(yīng)用潛力。

圖3. TMMF應(yīng)變傳感器在手勢識別中的應(yīng)用

  以上成果發(fā)表于ACS Nano，論文的文章作者為王紅晨，周瑞聰，李東海，張林榮，任國章，王麗，劉金華，王德陽，唐振華；通訊作者為黃維院士、于海東教授、孫庚志教授和呂剛教授。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.1c00259