近日，我院柔性电子材料与器件团队在高水平SCI期刊《Advanced Fiber Materials》（中科院一区期刊，IF=16.1）发表题为“Wrinkled and Fibrous Conductive Bandages with TunableMechanoelectrical Response Toward Wearable Strain Sensors”的研究论文。
可穿戴应变传感器（Wearable strain sensors, WSSs）在人体健康监测、运动评估和人机界面等应用中具有重要价值。目前，该领域研究者侧重于通过精巧但复杂的材料设计来实现WSSs的优异功能表现，然而这通常依赖于昂贵组分或复杂工艺，所涉及的高昂成本极大限制了WSSs的大规模生产和应用。因此，兼顾WSSs的功能和成本具有重要意义。
相较于从无到有研发WSSs，采用低成本商用柔性材料作为WSSs的柔性基底，并建立能够合理利用其优点的导电修饰方法，有望兼顾WSSs的优异性能和低成本。以此为设计理念，本工作选择在医疗和运动领域中得到广泛应用的自粘绷带作为柔性基底，通过静电喷涂碳纳米管导电层，制备得到了褶皱和纤维结构导电绷带（CBs）。借助自粘绷带的高度褶皱结构（图2a），在喷涂过程中对其施加不同程度的预拉伸，使褶皱谷以不同程度暴露（图2b-c），从而能够调控碳纳米管层在自粘绷带上的空间分布（图2d）。并且，发现并利用了褶皱侧壁接触-分离过程所介导的电阻式应变传感机制（图2e），其效能与碳纳米管层的非均匀分布程度具有正相关性，这使得能够通过褶皱结构来调控CBs的应变传感性能。
图2.褶皱结构介导的CBs性能调控途径和应变传感机制。
通过应变锻炼（通常仅需单次应变）在导电层中诱导形成裂缝，是构建高灵敏电阻式应变传感器的常用策略。本工作发现，应变锻炼会较为缓慢且可控地增强CBs的应变传感灵敏度，并且这种锻炼效果能够通过锻炼应变量和CBs预拉伸应变量进行调节（图3a-b）。经证明，这种现象是由于褶皱结构CBs在应变锻炼过程中主要发生弯曲形变，而非拉伸形变，因此覆盖在自粘绷带无纺纤维上的导电层并未出现裂缝或脱落。取而代之，应变锻炼主要作用于被碳纳米管导电层粘合的相邻纤维搭接位置，使CBs的表层固结纤维逐渐恢复为对应变信号更为敏感的蓬松纤维状态，以此实现可控的灵敏度增强效果（图3c-e）。上述褶皱和纤维结构介导的两种应变传感机制能够协同作用（图3f-g），使CBs对微小应变信号表现出高灵敏度。
图3.纤维结构介导的CBs性能调控途径和应变传感机制。
褶皱和纤维结构介导的上述两种性能调控途径在单独或协同进行时，能够便捷且按需设计CBs的应变传感性能，因此制备了具有不同传感性能的WSSs，并展示了其对手指关节活动（图4a）、膝关节活动（图4b）、骨骼肌收缩活动（图4c）、输液位点表皮应变（图4d）、人脸微表情（图4e）、喉部活动（发音或吞咽，图4f）、脉搏（图4g）和呼吸（图4h）等大幅度至轻微的人体全范围应变信号的精确且实时监测能力，证明了CBs用作WSSs的巨大应用潜力。
图4.基于CBs的WSSs对人体全范围应变信号的可穿戴监测应用表现。
综上所述，基于CBs的优异传感性能、按需调控能力和低制造成本，使其有望成为自粘绷带的升级产品，作为无需回收使用的即用即弃型可穿戴应变传感器，广泛应用于对耗材经济性和洁净度具有较高要求的医疗监测领域。褶皱和纤维结构介导的性能调控途径，也为褶皱且/或纤维材料的结构和性能设计提供了新思路。并且，基于本工作方法原理，未来也有望研发导电性更佳或性能调控范围更广的CBs，以此构筑多功能可穿戴电子器件。
该研究得到了国家自然科学基金、海南省自然科学基金、海南省重点研发项目等资助。海南大学为第一完成单位，生物医学工程学院博士生徐鑫为论文第一作者（共一排一），我院赵国旭副教授、王东教授以及西安交通大学生命科学与技术学院徐峰教授为论文共同通讯作者。
论文链接：https://doi.org/10.1007/s42765-024-00417-5
海大BME