得益于復合材料的創新制造技術，可穿戴柔性應變傳感器能夠實時、準確地監測人體皮膚的微小振動。高靈敏度和寬工作范圍，是高質量應變傳感器的關鍵參數，但由于結構和導電性的限制，很難在同一傳感器上同時實現這兩種特性。

據麥姆斯咨詢報道，清華大學張瑩瑩教授團隊首次提出了一種柔性應變傳感器設計，采用疊加平行排列和隨機排列碳納米纖維（CNF）制成的膜，既實現了高靈敏度，又實現了寬應變檢測范圍。這項研究成果已經發表于近期的Nano Research。

柔性應變傳感器在健康監測、活動監測、智能織物以及人機交互領域都有應用。張瑩瑩教授研究團隊為唇語識別系統設計了一種柔性應變傳感器，可以幫助聲帶受損的用戶進行日常交流。

據稱，這種唇語識別系統可以為聲帶受損的用戶直接快速地翻譯語句，大大降低日常溝通中的障礙。

為了實現這一目標，傳感器需要能夠從用戶面部肌肉的運動中收集信息，同時還能區分細微的變化。滿足這些要求的唯一方法，是制備一種既具有高靈敏度又具有寬應變檢測范圍的柔性應變傳感器。

與傳統由剛性、笨重金屬制成的傳感器不同，這種柔性應變傳感器可以活動并順應人體皮膚，而不會引起不適。這類傳感器通常由彈性聚合物與導電材料（如石墨烯、碳納米管、金屬納米顆粒、金屬納米線或液態金屬）組合而成，使它們可以整合到衣服中或直接粘附到人體皮膚上。

到目前為止，大多數現有報道的可穿戴應變傳感器要么顯示出較大的應變工作范圍，要么顯示出較高的靈敏度，但無法兩者兼而有之。根據材料的差異，具有較大應變檢測范圍的應變傳感器可以彎曲或拉伸超過400%。然而，具有大應變檢測范圍的傳感器通常表現出較低的應變系數（靈敏度指標），指的是檢測皮膚微小振動的能力。

這兩種特性似乎是互斥的：為了實現高靈敏度，當檢測到振動時，微結構傳感層的導電性需要顯著改變。

相反，為了實現更寬的感測范圍，傳感層應連續導電，即使在很大的拉伸應變下也是如此。因此，具有寬應變檢測范圍的高靈敏度，似乎是遙不可及的，特別是對于由單一導電介質組成的傳感器。

為此，張瑩瑩教授研究團隊設計了一種策略，以同時實現這兩種期望的特性。

當傳感器中膜的碳納米纖維平行排列（p-CNF）時，膜表現出低應變檢測限和高靈敏度，而隨機排列（r-CNF）膜表現出更寬的應變檢測范圍。

通過疊加平行排列和隨機排列的碳納米纖維膜，研究人員實現了同時具有高靈敏度和寬應變檢測范圍的柔性應變傳感器。

研究團隊證明，該傳感器可以準確區分關節彎曲等大動作，還可以檢測面部表情、眼睛轉動、脈搏和說話等細小動作。

作為概念驗證，研究團隊通過集成p/r-CNF應變傳感器、Arduino開源電子平臺和一個揚聲器，開發了一種智能唇語識別系統。該系統可以“閱讀唇語”，通過解讀嘴唇的動作來正確跟蹤語音符號，然后執行相應的指令，例如輸出燈光或音頻信號。

這種p/r-CNF應變傳感器結構，還可以應用于其他高性能健康管理及醫療輔助傳感器設計。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1007/s12274-022-5162-0

審核編輯：劉清