基于MXene复合纳米纤维支架的可穿戴电容压力传感器用于人体生理信号采集

芳纶纳米纤维基导电复合材料的发展与应用芳纶是以芳香族大分子原料经缩聚纺丝制得的线性高分子纤维，具有机械性能强、质量轻、耐酸碱等优异性能，分为间位芳纶和对位芳纶［口。

间位芳纶(PMIA)全称为聚间苯二甲酰间苯二胺纤维，常称为芳纶1313纤维，由于间位芳纶聚合导致得到的聚合物呈锯齿状，强度模量都略低于对位芳纶，所以本文所介绍的芳纶以对位芳纶为主。

对位芳纶(PPTA)全称为聚对苯二甲酰对苯二胺纤维，常称为芳纶1414纤维，其分子结构如图1所示。

PPTA分子以一种网状相互交联的形式结晶成高聚物，分子链中被苯环分离的酰胺基团与苯环形成了π-π共朝结构，内旋位能高，使分子链呈现为刚性的平面棒状［1］。

以PPTA为原料利用造纸技术制备出的功能性薄膜材料，由于具有很好的抗冲击性、阻燃性和热稳定性，因此被广泛用于航空航天材料及军事领域。

但由于纤维表面光滑，缺少化学活性基团，限制了其在纳米复合材料中的应用［2］。

芳纶纳米纤维(ANFs)是将芳纶纤维通过处理制成的直径为十几到几百纳米、长度为几至几十微米的纳米化纤维［3］。

ANFs作为一种高分子纤维，分子间可以通过氢键作用结合制成芳纶纳米纸或芳纶纳米膜，由于具有较强的力学性能和良好的高温稳定性，被广泛用于特种纸的制备及航空航天重要的结构减重与耐高温材料。

ANFs既保留了芳纶纤维的化学组成和晶体结构，又具有较大的比表面积与长径比，因此可以与其他材料进行复合，在电池隔膜、复合增强材料和柔性电极等多个领域都显示出一定的应用潜能与发展前景。

图1对位芳纶的分子结构图Fig. IMolecularstruetureofpara-aramid柔性电子器件以其独特的柔性、延展性和高效、低成本的制造工艺，在信息能源、医疗和国防等领域具有广泛的应用［4］。

将纳米纤维材料与导电复合材料结合制作柔性、可穿戴电子器件已成为近些年来的研究热点。

由于ANFs具有良好的力学性能，以及纤维表面丰富的酰胺基团，其与导电材料复合应用在电磁屏蔽、传感、电化学储能等领域，具有广阔的发展前景。

多孔结构柔性应变传感器的研究进展何崟1，2，乔惠惠1，刘丽妍1，2，刘皓1，2（1.天津工业大学纺织科学与工程学院，天津300387；2.天津工业大学智能可穿戴电子纺织品研究所，天津300387）摘要：随着智能可穿戴柔性电子技术的发展，兼具高灵敏度和宽检测范围的柔性应变传感器的研发需求日益增长。

多孔结构的材料中本身大量孔隙的存在便于构造复杂的导电网络，可实现灵敏度的有效提高；同时材料内部孔隙的存在导致自身杨氏模量降低，材料表现出更好的压缩性。

对多孔结构柔性应变传感器的研究进展进行了全面概述，简要介绍了基于多孔结构柔性应变传感器的材料和类型，详细综述了多孔结构柔性应变传感器敏感材料常见的多孔结构和制备方法，总结了这些传感器在人体运动监测、生理信息监测和能量收集器等方面的应用，讨论了多孔结构的柔性应变传感器目前面临的一些挑战和未来发展的方向。

关键词：多孔结构；柔性应变传感器；静电纺丝；3D 打印；脉搏；心跳监测中图分类号：TB381文献标志码：A文章编号：员远苑员原园圆源载（圆园23）园3原园园28原08收稿日期：2022-02-14基金项目：国家自然科学基金资助项目（51473122）；中国博士后科学基金项目（2021M691699）；天津市教育委员会科研项目（2019KJ001）通信作者：何崟（1985—），女，副教授，主要研究方向为智能服装服饰、可穿戴传感材料及电子器件。

E-mail ：******************.cn Research progress of flexible strain sensor with porous structureHE Yin 1，2，QIAO Hui-hui 1，LIU Li-yan 1，2，LIU Hao 1，2（1.School of Textile Science and Engineering ，Tiangong University ，Tianjin 30087，China ；2.Institute of Smart Wearable Electronic Textiles ，Tiangong University ，Tianjin 300387，China ）Abstract ：With the development of intelligent wearable flexible electronic technology袁the research needs of flexible strainsensors with high sensitivity and wide dynamic range are growing.The existence of a large number of pores in the porous materials contributes to fabricating a complex conductive network袁which leads to an effective increase in sensitivity曰meanwhile袁Young忆s modulus will decrease袁and the material shows better compressibility.The research progress of porous flexible strain sensor is comprehensively reviewed.The materials and types of porous flexible strain sensors are briefly introduced袁and the preparation methods of porous flexible strain sensor areoverviewed in detail.The applications of these sensors in human movement monitoring袁physiological informationmonitoring and energy collector are summarized.Finally袁current challenges and future opportunities forporous flexible strain sensors are discussed.Key words ：porous structure曰flexible strain sensor曰electrospinning曰3D printing曰pulse曰heartbeat monitoring高性能柔性应变传感器具有柔软且贴合人体皮肤的显著优点，它可以将外部力信号转化为电信号，是人体运动检测、人机交互、软机器人、电子皮肤等系统的重要组成部分，也是未来人类医疗保健监测和人工智能领域的关键技术[1-2]。

《压阻式Graphene-MXene-PDMS@海绵柔性压力传感器及其性能研究》篇一压阻式Graphene-MXene-PDMS@海绵柔性压力传感器及其性能研究一、引言随着可穿戴设备和智能传感器的快速发展，柔性压力传感器因其出色的灵活性和适应性，在人机交互、健康监测、智能机器人等领域中发挥着重要作用。

其中，压阻式传感器以其高灵敏度、快速响应和低成本等优势备受关注。

近年来，基于二维材料（如石墨烯和MXene）的柔性压力传感器因其在增强传感器性能方面的巨大潜力而受到广泛研究。

本文提出了一种压阻式Graphene/MXene-PDMS@海绵柔性压力传感器，并对其性能进行了深入研究。

二、材料与方法1. 材料选择本研究采用石墨烯（Graphene）和MXene作为主要的功能材料，同时选用聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为基体材料，通过在海绵上附着这一复合材料来制作传感器。

2. 制备方法首先，制备Graphene/MXene复合材料。

将Graphene和MXene按照一定比例混合，并通过球磨法进行均匀混合。

接着，将PDMS与复合材料混合，形成均匀的浆料。

最后，将浆料涂覆在海绵上，经过干燥、固化等工艺，形成压阻式Graphene/MXene-PDMS@海绵柔性压力传感器。

三、性能研究1. 灵敏度与响应速度实验结果表明，该柔性压力传感器具有较高的灵敏度和快速的响应速度。

在受到压力作用时，传感器能够迅速感知并输出信号，且信号与压力之间具有较好的线性关系。

此外，传感器的恢复速度也较快，能够在短时间内恢复到初始状态。

2. 稳定性与耐久性经过多次循环测试，该传感器表现出良好的稳定性和耐久性。

在长时间的使用过程中，传感器的性能基本保持不变，未出现明显的性能衰减。

这归功于Graphene/MXene复合材料与PDMS基体的良好结合，以及海绵的优良吸能性能。

3. 应用范围该传感器可广泛应用于可穿戴设备、健康监测、智能机器人等领域。

作者简介：李雪雨（1996-），女，南京理工大学硕士研究生，主要研究高分子材料改性,已经发表论文4篇。

收稿日期：2020-09-28柔性可穿戴电子设备已经成为近年来的研究热点[1, 2]，广泛地应用于软机器人的健康监测，人体运动检测和电子皮肤等[3]。

导电水凝胶主要是在高分子水凝胶交联网络中添加导电物质（导电纳米粒子、导电聚合物）或引入导电离子形成。

导电水凝胶由于其广泛的弹性、生物相容性、柔韧性和高拉伸性而作为柔性可穿戴应变传感器的基体引起了研究者极大的关注[4,5]，并逐渐成为柔性应变传感器最有前景的材料[6, 7]。

本文对导电水凝胶传感机理及研究进展进行了综述。

1　导电水凝胶的传感机理柔性应变传感器的传感机理可以分为压阻效应、压电效应和电容效应三大类[8]，而导电水凝胶大部分是基于其中的压阻效应进行传感。

引起压阻效应的原因有导电网络几何结构的变化、导电粒子之间的间距变化、导电材料之间接触电阻的变化等[9]。

添加导电物质的水凝胶的传感现象和弹性体复合材料类似（图1），一般分为三个阶段[10]：（1）水凝胶产生形变，使得导电网络延展，电阻变化很小；（2）导电网络部分或者完全断开，导电通路减少；（3）导电网络遭到严重破坏，导电通路的数量进一步下降。

在应变释放后，传感器中的导电网络恢复初始状态，电阻减小。

离子型导电水凝胶的传感机理在于离子的迁移（图2），当其经历拉伸或压缩变形时，离子通道和迁移路径的长度发生变化，从而导致水凝胶的电导率发生变化。

当被拉伸时，离子通道变窄和迁移路径变长，导致离子相对慢的迁移速率，因此导致电阻的增加[12]。

图2　电场下离子迁移示意图[12]总的来说：导电水凝胶经历变形时，其内部离子通道或导电网络变形引起电阻改变进而影响导电性能的改变，当外力撤销后，因水凝胶的弹性等使得应变基于导电水凝胶的柔性应变传感器研究进展李雪雨1，朱玉宏2，温艳蓉2，贾红兵1(1.南京理工大学 教育部软化学和功能材料重点实验室，江苏 南京 210094；2.常州朗博密封科技股份有限公司，江苏 常州 213200)摘要：导电水凝胶具有良好的电性能、机械性能、生物相容性等，在电容器、调制器、传感器等领域具有广阔的应用前景。

研究与技术丝绸JOURNAL OF SILK电阻式柔性触觉传感器的研究与医养健康领域应用现状Research on resistive flexible tactile sensors and their current applications in the field of medical and health care殷㊀霞,张士进,田明伟,刘㊀红(青岛大学纺织服装学院,青岛266071)摘要:近年来,可穿戴智能系统的进步对柔性压力传感器提出迫切的需求㊂其中,电阻式柔性触觉传感器因其原理简单㊁易于加工㊁集成效率高等特点得到了迅速发展㊂但是,如何实现传感器在宽压力监测范围内,具有高灵敏度仍是研究者们要面临的挑战㊂为了解决上述问题,除了选择先进的功能材料和合适的衬底材料,优化传感器结构也是一个重要的研究方向㊂本文立足于传感器件的结构设计,分别介绍了一维的纤维∕纱线传感器件,基于表面微结构㊁纳米结构构筑的二维平面传感器件及具有空间结构和高空隙的多维立体结构传感器件,通过以上结构设计实现了传感器件性能的提升,最后分析了其在医养健康领域的实际应用进展㊂关键词:电阻式柔性触觉传感器;结构设计;医养健康;一维纤维∕纱线传感器件;二维平面结构传感器件;多维立体结构传感器件;健康监测中图分类号:TP 212.3;TQ 342.8㊀㊀㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀㊀㊀文章编号:10017003(2024)02007609DOI :10.3969∕j.issn.1001-7003.2024.02.009收稿日期:20230914;修回日期:20231220作者简介:殷霞(2000),女,硕士研究生,研究方向为服装舒适性与功能服装㊂通信作者:刘红,讲师,lh 1221@ ㊂㊀㊀触觉是人类感知和识别物体的重要方式,在没有触摸的情况下,人类将无法获得物体的基本特征[1]㊂皮肤作为人体最大的器官,含有大量的神经传感器,赋予人们触觉感知能力,是人类感知外界环境中压力㊁温度㊁湿度及物体形状等物理信息最重要的途径㊂受人体皮肤的启发,仿生电子皮肤被开发并应用到人机交互㊁可穿戴医疗设备和智能机器人等各个领域[2]㊂对于仿生电子皮肤而言,其最重要的部分是可以模仿人体的触觉传感器[3]㊂常见的柔性触觉传感器依据其传感机制可分为电容式㊁压电式㊁摩擦电式和电阻式[4-5],如图1[6-10]所示㊂电容式传感器由两个平行电极和两电极之间的介电层组成,通过将压力刺激转化为电容信号进行传感,具有毫秒响应时间及出色的应变能力,但其灵敏度会随着器件尺寸的减小而降低[11-14]㊂压电式传感器是基于外加应变引起的压电材料极化导致电势变化,具有固有频率高㊁性能稳定等特点[15],但由于压电材料产生的输出电压是脉冲信号,故其大多应用于测量动态压力,而不能稳定地测量静态信号[16]㊂为了满足传感器自供电这一需求,基于摩擦电纳米发电机(TENG )[17]研发的传感器近几年受关注较多㊂摩擦电传感器通过将人体在运动过程中产生的能量进行收集并保存在电容器中,从而实现自供电[18],但极易受外部静电感应产生信号干扰的特性,限制了其应用场景[19]㊂而电阻式传感器因其工作原理简单㊁成本较低㊁信号采集方便等特性,成为了目前研究最多且应用最广泛的触觉传感器[4,20-22]㊂图1㊀柔性触觉传感器分类及其应用Fig.1㊀Classification and application of flexible tactile sensors电阻式触觉传感器的工作原理主要基于压阻效应,当传感器受到外界施加的压力时,外部压力被转换为电阻信号,以此来完成电信号的输出[23-24]㊂合理的结构设计,不仅可大幅67第61卷㊀第2期电阻式柔性触觉传感器的研究与医养健康领域应用现状度提升传感器的灵敏度及其他各项性能,而且还可以灵活地调整传感器的灵敏度和响应特性,以满足特定的应用需求[25-26]㊂对传感层进行结构创新设计,改变导电材料间的接触电阻及导电弹性复合材料中的导电路径,是提高电阻式触觉传感器性能重要的研究方向[27]㊂将柔性电阻式触觉传感器与可穿戴设备结合监测人体生理信号,如血压㊁心率㊁脉搏等,可为患者提供个性化康复方案[6,28]㊂也可将纤维∕纱线基柔性触觉传感器编织成床垫㊁坐垫等产品,实现身体不同部位的压力分布监测,可有效预防压疮生成[29-30],在医养健康领域具有重要意义㊂本文综述了近年来电阻式柔性触觉传感器的最新进展㊂首先根据其结构设计分别介绍了在不同维度上的研究进展,包括一维纤维∕纱线传感器件㊁二维平面结构传感器件㊁多维立体结构传感器件㊂随后分析了其在医养健康领域的实际应用进展㊂最后,讨论总结了电阻式柔性触觉传感器目前所面临的挑战㊂1㊀电阻式柔性触觉传感器的结构设计1.1㊀一维纤维∕纱线基传感器件一维纤维∕纱线结构因其柔软性㊁可编织性㊁形状适应性故具有优异的纺织加工性能[31-32],较多集成到纺织服装当中应用㊂大多数纤维∕纱线通过采用湿法同轴[33-34]㊁静电纺丝[35-36]㊁对纤维∕纱线进行特殊后处理(喷涂㊁浸渍[37]㊁原位生长[38]㊁化学气相沉积[39])的方法制备核壳结构㊂Hu等[39]通过化学气相沉积(CVD)工艺制造以石墨烯纤维作为芯层,原位生长的碳纳米管分层作为壳层的碳杂化纤维(CHF),如图2(a)所示㊂具有核壳结构的纤维∕纱线,纤维芯和外部的壳或包覆层可以相互作用,提高纤维材料的抗拉㊁抗压㊁抗弯等力学性能,也可以防止纤维芯受到外界环境的影响,同时可以根据需求调节其芯层或外壳的成分和厚度,从而使纤维材料可适应不同的应用领域和环境,且基于核壳结构的压阻式传感器件普遍具有较高的灵敏度和线性度㊂Zhong等[40]通过湿法纺丝制备的芯层为镀银尼龙,壳层为表面具有微孔结构的碳纳米管(CNTs)∕热塑性聚氨酯(TPU)的核壳压阻纱线,灵敏度高达84.5N-1㊂利用同轴纺丝和后处理方法相结合的方式[41],可制备具有三层核壳结构的导电复合纤维㊂Wang 等[42]将湿纺制备的已经具有核壳结构的纤维,又通过在纤维表层发生银镜反应,形成紧密堆叠的Ag纳米颗粒层,制备了具有三层核壳结构的导电复合纤维,如图2(b)所示㊂除了通过同轴纺丝实现纤维的核壳结构,还可选择在纺纱的过程中将纤维加捻成特殊的纱线结构,如包芯纱㊁包缠纱等赋予纱线核壳结构㊂Ding等[43]以柔性乳胶长丝为芯层,紧图2㊀一维纤维∕纱线基传感器件原理和结构示意Fig.2㊀Schematic diagram of the principle and structure ofone-dimensional fiber∕yarn-based sensor elements密缠绕包裹PET长丝为壳层,在PET长丝上沉积导电聚吡咯形成导电网络,且制备的导电纱线对应力非常敏感,如图2(c)所示㊂近年来,与核壳结构类似地使用弹性管状材料,如(弹性微管[44]㊁中空橡胶管[45])对液态导电金属进行封存,制作导电纱线的方法受到较多关注㊂与传统的核壳结构纱线相比,该方法制作的导电纱线,具有高度可拉伸和耐水洗的优点㊂Yu等[44]使用将液态金属合金共晶镓铟(eGaIn)沉积到弹性微管内制备的导电纱线编织的功能性织物,即使在洗衣机内经过了典型的洗涤循环,仍保持高功能性㊂综上所述,现有的一维纤维∕纱线传感器件主要基于核壳结构,其虽具有较高线性度,但传感器件的灵敏度和分辨率易受到纤维直径和长度的限制,在测量一些微小变化时可能精度不高㊂此外,纤维在使用过程中易疲劳和损伤,传感器的耐久性和稳定性受到影响㊂因此,在制作纤维∕纱线传感器件的时候,可选择使用更加耐久和稳定的纤维材料,如碳纤维和聚合物纤维等㊂1.2㊀二维平面结构传感器件可穿戴电阻式应变传感器通常由绝缘的柔性聚合物基体和导电材料两部分构成,为了获得高性能的传感器,除了需要选择合适的弹性基板及导电性好的敏感材料外,在二维导电层上设计并构建精细的微观结构或纳米级几何形状,是提高传感器灵敏度较为有效的方法㊂目前已出现的较为常见的微观结构如棘突结构[46-47]㊁微圆顶结构[48]㊁微纳米棒状结构[49]㊁微金字塔结构[50]㊁空心球微结构[17]㊁皱纹结构[15]㊁互锁结构[28]㊁微柱结构[51]及各种仿生微结构[21,52],这些微结构可以为传感器两电极之间提供丰富的接触点,来提高传感器的性能㊂77Vol.61㊀No.2Research on resistive flexible tactile sensors and their current applications in the field of medical and health care在这些微观结构中,因人类表皮的微观结构与砂纸表面具有相似的形貌,使用砂纸作为模板来制备的具有随机高度分布的棘突微结构[53],不仅可检测细微压力的极限且具有成本较低,制作工艺简单等优点㊂Sun 等[54]将石墨与聚二甲基硅氧烷(PDMS )的混合液倒在砂纸模板上,直接形成具有棘突结构的导电膜㊂皱纹结构的开发同样是仿制人类皮肤的一种微结构设计,类似于褶皱的结构为传感器提供了可拉伸性㊂Jia 等[15]通过梯度减少氧化石墨烯(rGO )形成具有皱纹结构的导电层,制备的传感器表现出出色的灵敏度,如图3(a )所示㊂为了设计出合理的微观结构,将特殊的生物∕植物表面微结构进行仿制,是一种便捷且能有效提高传感器灵敏度的方法㊂Yan 等[21]通过仿制银杏叶表面微结构制备的MXene 基压力传感器,灵敏度高达403.46kPa -1,如图3(c )所示㊂除了选择在织物㊁薄膜㊁凝胶等柔性基体表面进行微观结构设计,还可采用静电纺丝喷涂的方法[55],由于纤维的交错排列,同样可以在传感层表面形成精细的多层网络微结构㊂Gao 等[56]用柔性锡(IV )掺杂的SrTiO 3,采用溶胶-凝胶静电纺丝法制备的柔性陶瓷纳米纤维膜,在小于400Pa 的低压范围下灵敏度可达2.24kPa –1,且表现出优异的稳定性,如图3(b )所示㊂图3㊀二维平面结构传感器件原理和结构示意Fig.3㊀Schematic diagram of the principle and structure of atwo-dimensional planar structure sensor element综上所述,二维平面结构传感器件只能在有限的压力范围内具有高灵敏度,为了提高其应力监测范围,设计新型的织物表面微结构,增大阻值变化是有效的解决途径㊂同时在对织物进行导电处理时选择适合的导电材料,增加导电通道,通过改善导电材料的分散性可提高织物的导电性㊂1.3㊀多维立体结构传感器件多维立体结构设计的电阻式压力传感器,得益于其空间结构存在高孔隙且基材具有良好的弹性,相邻多孔骨架之间的 接触效应 可产生大幅度的电阻变化,使其总能在宽线性范围内具有高灵敏度㊂常见的制备多维立体空间结构的策略主要包括多层微结构叠加[52,57,58]㊁赋予三维(3D )多孔基材传感性能[59-61]㊁导电 骨架 团聚三维结构[62]㊂多层微结构构筑的立体结构可以很好地优化传感器线性传感范围,相较于单层微结构,使传感器能够在大的压力范围下保持高灵敏度[63]㊂Lee 等[28]堆叠多层具有互锁微圆顶结构设计的传感层,如图4(a )所示㊂由于逐层之间的应力分布,使传感器在0.0013~353kPa 的宽压力范围内可线性响应㊂直接赋予三维(3D )多孔基材传感性能的策略,避免了逐层组装的麻烦,具有低成本㊁可大规模制备等优点㊂常用的多孔基材主要包括泡沫[64]㊁海绵[65]㊁热塑性弹性体(TPE )[66]等,这些材料具有丰富的3D 网络结构,便于将导电材料涂覆到其弹性体骨架上㊂Zhang 等[67]在海绵上浸渍碳纳米管(CNT ),上下电极采用银浆涂覆作为导电层,制作了一款价格低廉且具有高性能和简单制造工艺的传感器㊂其中,将海绵经预压缩处理后在其骨架上获得裂纹结构的设计[68],对于弹性三维微孔压阻材料来说具有重要研究意义㊂Zhang 等[69]将通过导电纤维素纳米纤维(CNF )㊁AgNWs 制备的导电海绵经预压缩处理后,在海绵骨架表面产生裂纹结构,如图4(b )所示(根据压缩速率不同,裂纹产生的密度也会随之变化),基于小应变的 裂纹效应 ,该传感器的检测限可低至0.2%㊂虽然基于聚合物材料的传感器具有高灵敏度和较大的工作压力范围,但聚合物材料普遍存在弹性回复性差㊁恢复滞后等问题,因此继续探索其他新型材料构筑3D 结构是必要的㊂Chen 等[70]将水性MXene 油墨和植物纤维通过物理发泡的方法来制作类似于海绵的三维结构,再对其通过组装㊁浸涂㊁封装后制备的压阻式传感器表现出的可压缩应变达60%㊂图4㊀多维立体结构传感器件原理和结构示意Fig.4㊀Schematic diagram of the principle and structure of a multidimensional three-dimensional structure sensor element87第61卷㊀第2期电阻式柔性触觉传感器的研究与医养健康领域应用现状综上所述,多维立体结构的传感器件主要存在弹性回复性差㊁制造难度较大等问题,弹性回复性差主要是由于传感器材料在反复压缩过程中发生塑性失真㊁疲劳等㊂其次传感器立体结构设计得不均匀,弹性变形后也很难回复到原有状态㊂在未来可以引入新的材料制备技术和制造工艺,如微纳米加工技术㊁3D打印等,以提高传感器的制造精度,从根本上改善传感器的回复性㊂2㊀电阻式柔性触觉传感器在医养健康领域应用现状2.1㊀临床医学及生命体征监测应用随着医疗技术和条件的快速发展,多样化的传感器作为可穿戴医疗设备的重要组成部分,已经应用于各个方面㊂其中,电阻式柔性触觉传感器对微小应力变化非常敏感,可以检测到细微的触摸和压力信息,对临床应用兴起的机器人辅助微创手术的发展具有重要意义㊂Aubeeluck等[71]将多壁碳纳米管(MWCNTs)和热塑性聚氨酯(TPU)复合材料制备的油墨进行丝网印刷得到柔性薄膜,再将具有微结构的叉指电极薄膜进行多层叠加后进行封装,设计和制造了一种9mm2的超薄柔性电阻触觉传感器,用于机器人辅助微创手术中磁性微夹持器手术工具,提高了手术的安全性㊂生命体征是人体基本身体机能的测量值,用于评估人体的身体健康状况㊂而传感器是各类探知生命体征智能端口的核心元器件,是采集生命体征信息㊁构建数字化管理平台㊁实现健康风险科学预警的重要途径㊂电阻式柔性触觉传感器通过模仿皮肤的传感特性制备的电子皮肤可有效地克服传统医疗设备笨重㊁繁琐等缺陷,实现对人体体征信息的全方位监测㊂Chao等[24]将MXene油墨丝网印刷到丝素纳米纤维膜上制备的MXene∕蛋白质的电阻式压力传感器组装的电子皮肤具有良好的生物相容性,通过电阻变化检测人类的脉冲波型,来评估佩戴者的心血管状况及判断是否存在血管老化和动脉僵硬等问题,如图5(a)所示㊂Li等[27]通过将壳聚糖和MXene交替涂覆到PU海绵骨架上制备的传感器能有效检测许多非接触运动,可以隔着塑料面罩检测呼吸和说话,并进行语音识别,在未来临床医学监测方面具有巨大的潜力,如图5 (b)所示㊂此外,针对当代年轻人的生活需求及生活方式的转变,将传感器集成在腕带㊁手表㊁护膝等可穿戴设备中,更易于在日常生活运动中对心率进行监测㊂Gao等[72]演示了一种具有微流体膜片的压力传感器,分别将传感器嵌入聚二甲基硅氧烷(PDMS)腕带和PDMS手套,在触摸或握住物体时,根据阻值变化可提供手的全面触觉反馈㊂佩戴该传感手腕进行运动,可实时测量运动者脉搏变化,进行心率监测㊂图5㊀电阻式柔性触觉传感器在生命体征监测领域的应用Fig.5㊀Application of resistive flexible tactile sensors in thefield of vital sign monitoring2.2㊀居家健康监测及康复治疗应用居家健康监测可以有效地进行个人健康管理及中老年疾病预防,不仅能提高治疗效果,而且还可节省公共医疗资源㊂对于老年人和慢性病患者而言,居家健康监测设备可提供长期的照护支持㊂足底压力监测对损伤预防㊁运动生物力学具有重要意义㊂Lee等[28]通过传感器阵列制作的智能鞋垫,可以清楚地监测行走过程中的高脚压分布,如图6(a)所示㊂对于一些老年人的步态监测,某些区域的异常步态和过度的脚压可能与很多疾病相关,如糖尿病足溃疡㊁帕金森病患者的特征性步态模式,监测老年人的步态模式和姿势可以对这些疾病进行早期诊断㊂Kim等[73]以隐形眼镜为基板,设计了一款可以监测眼内压的透明和可拉伸的多功能隐形眼镜传感器,如图6(b)所示㊂用于无线监测佩戴者的葡萄糖和眼内压,不仅适用于糖尿病患者,还可以帮助青年佩戴者评估眼睛健康,如青光眼筛查㊁视力保护等㊂Hu等[39]使用制备的碳杂化纤维(CHF)组装的光纤传感器,将其安装在腰椎和颈椎上,可捕获各种生理信号,时实精确记录坐姿信号,当坐姿不规范时,基于该传感器的警告系统会发出警示,帮助指导纠正坐姿,改善不良的生活方式㊂此外,通过与触觉显示器相结合,实现人机交互,将日常监测数据可视化,对康复治疗具有重要意义㊂Zhong等[23]将传感器固定在纺织手套的指关节区域,并且基97Vol.61㊀No.2Research on resistive flexible tactile sensors and their current applications in the field of medical and health care于该传感器建立人机界面,如图6(c )所示㊂佩戴患者根据电脑提示做出指定手势,开发了一个智能康复训练平台,以有趣和具有挑战性的方式帮助患者训练和提高手指关节技能,在康复医疗㊁外骨骼机械手甚至工业制造方面显示出潜在的应用前景㊂图6㊀电阻式柔性触觉传感器在居家健康监测及康复治疗领域的应用Fig.6㊀Application of resistive flexible tactile sensors in the field ofhome health monitoring and rehabilitation therapy3㊀结㊀论电阻式柔性触觉传感器因其原理简单㊁成本较低等特点,在柔性可穿戴领域中具有显著优势㊂本文综述了近年来电阻式柔性触觉传感器结构设计在不同维度上的最新进展,结果表明:不论是一维纤维∕纱线基传感器件㊁二维平面结构设计传感器件,还是多维立体传感器件,都需要对其结构进行创新设计,才能够在原有的基础上,实现传感性能大幅度提升㊂在已确定传感器件的形状和尺寸要求下,构筑 微结构 增大两电极间的接触点∕空隙是提升传感器灵敏度较为有效的策略㊂同时,除了注重其结构设计,还可以围绕材料的选择进行创新㊂此外,虽然电阻式柔性传感器虽已经在柔性电子㊁医疗监测㊁人机交互等各个领域都有了较大的进展,但目前同样存在一些方向需要突破㊂1)柔性电阻式触觉传感器在长时间使用或复杂环境中可能会受到损坏或性能下降的影响㊂为了提高稳定性和可靠性,需要改进材料的耐久性和稳定性,解决电阻元件的老化问题,并增强传感器的保护措施㊂2)根据使用者的需求对传感器进行功能设计,整合其他传感器模块,如温度㊁湿度等,提供更广泛的应用领域㊂3)在进行传感器设计和制造时,考虑成本效益和生产难度,开发低成本且可批量生产的传感器是未来的发展重点㊂‘丝绸“官网下载㊀中国知网下载参考文献:[1]CASTELLANOSG M ,CONZALEZ M C ,RUBIO G B ,et al.ACognitive Psychological Approach to Identify the Significant of the Role of Visual Sense in Haptic Sense [C ].Wuhan :International Conference on Biometrics and Kansei Engineering (ICBAKE ),2013.[2]WANG C ,LIU C ,SHANG F ,et al.Tactile sensing technology inbionic skin :A review [J ].Biosensors and Bioelectronics ,2023(220):114882.[3]王康.基于MXene 的高性能柔性触觉传感器[D ].长春:吉林大学,2021.WANG Kang.High Performance Flexible Tactile Sensor Based on MXene [D ].Changchun :Jilin University ,2021.[4]CAO M ,SU J ,FAN S ,et al.Wearable piezoresistive pressuresensors based on 3D graphene [J ].Chemical Engineering Journal ,2021(406):126777.[5]潘晓君,鲍容容,潘曹峰.可穿戴柔性触觉传感器的研究进展[J ].高等学校化学学报,2021,42(8):2359-2373.PAN X J ,BAO R R ,PAN C F.Research progress of flexible tactile sensors applied to wearable electronics [J ].Chemical Journal of Chinese Universities ,2021,42(8):2359-2373.[6]ZHONG M J ,ZHANG L ,LIU X ,et al.Wide linear range andhighly sensitive flexible pressure sensor based on multistage sensing process for health monitoring and human-machine interfaces [J ].Chemical Engineering Journal ,2021(412):128649.[7]LI X P ,LI Y ,LI X ,et al.Highly sensitive ,reliable and flexiblepiezoresistive pressure sensors featuring polyurethane sponge coated with MXene sheets [J ].Journal of Colloid and Interface Science ,2019(542):54-62.[8]LEE Y ,PARK J ,CHO S ,et al.Flexible ferroelectric sensors withultrahigh pressure sensitivity and linear response over exceptionally broad pressure range [J ].Acs Nano ,2018,12(4):4045-4054.8第61卷㊀第2期电阻式柔性触觉传感器的研究与医养健康领域应用现状[9]LEE H J,YANG J C,CHOI J,et al.Hetero-dimensional2DTi3C2T x MXene and1D graphene nanoribbon hybrids for machine learning-assisted pressure sensors[J].Acs Nano,2021,15(6): 10347-10356.[10]IQBAL S M A,MAHGOUB I,DU E,et al.Advances inhealthcare wearable devices[J].Npj Flexible Electronics,2021,5(1):9.[11]MENG K,XIAO X,WEI W,et al.Wearable pressure sensors forpulse wave monitoring[J].Advanced Materials,2022,34(21): 2109357.[12]HWANG J,KIM Y,YANG H,et al.Fabrication of hierarchicallyporous structured PDMS composites and their application as a flexible capacitive pressure sensor[J].Composites Part B: Engineering,2021(211):108607.[13]BAI N,WANG L,WANG Q,et al.Graded intrafillablearchitecture-based iontronic pressure sensor with ultra-broad-range high sensitivity[J].Nature Communications,2020(1):209. [14]BOUTRY C M,KAIZAWA Y,SCHROEDER B C,et al.Astretchable and biodegradable strain and pressure sensor for orthopaedic application[J].Nature Electronics,2018(1):314-321.[15]YANG Y,PAN H,XIE G,et al.Flexible piezoelectric pressuresensor based on polydopamine-modified BaTiO3∕PVDF composite film for human motion monitoring[J].Sensors and Actuators A: Physical,2020(301):111789.[16]CHEN Z,WANG Z,LI X,et al.Flexible piezoelectric-inducedpressure sensors for static measurements based on nanowires∕graphene heterostructures[J].Acs Nano,2017,11(5):4507-4513.[17]CAI Y W,ZHANG X N,WANG G G,et al.A flexible ultra-sensitive triboelectric tactile sensor of wrinkled PDMS∕MXene composite films for E-skin[J].Nano Energy,2021(81):105663.[18]JIN T,SUN Z,LI L,et al.Triboelectric nanogenerator sensors forsoft robotics aiming at digital twin applications[J].Nature Communications,2020(11):5381.[19]ZHU G,YANG W Q,ZHANG T,et al.Self-powered,ultrasensitive,flexible tactile sensors based on contact electrification [J].Nano Letters,2014,14(6):3208-3213.[20]JIA J,HUANG G,DENG J,et al.Skin-inspired flexible and high-sensitivity pressure sensors based on rGO films with continuous-gradient wrinkles[J].Nanoscale,2019,11(10):4258-4266. [21]CHENG Y,MA Y,LI L,et al.Bioinspired microspines for a high-performance spray Ti3C2T x MXene-based piezoresistive sensor[J].Acs Nano,2020,14(2):2145-2155.[22]PAN L,CHORTOS A,YU G,et al.An ultra-sensitive resistivepressure sensor based on hollow-sphere microstructure induced elasticity in conducting polymer film[J].Nature Communications, 2014(5):3002.[23]PENG Y,YANG N,XU Q,et al.Recent advances in flexibletactile sensors for intelligent systems[J].Sensors,2021,21(16): 5392.[24]DING Y,XU T,ONYILAGHA O,et al.Recent advances inflexible and wearable pressure sensors based on piezoresistive3D monolithic conductive sponges[J].Acs Applied Materials& Interfaces,2019,11(7):6685-6704.[25]CHEN B,ZHANG L,LI H,et al.Skin-inspired flexible and high-performance MXene@polydimethylsiloxane piezoresistive pressure sensor for human motion detection[J].Journal of Colloid and Interface Science,2022(617):478-488.[26]YAN J F,MA Y,JIA G,et al.Bionic MXene based hybrid filmdesign for an ultrasensitive piezoresistive pressure sensor[J].Chemical Engineering Journal,2022,431(4):133458. [27]佘明华,徐瑞东,韦继超,等.纺织基柔性触觉传感器及可穿戴应用进展[J].丝绸,2023,60(3):60-72.SHE M H,XU R D,WEI J C,et al.Textile-based flexible tactile sensors and wearable applications[J].Journal of Silk,2023,60(3):60-72.[28]CHAO M Y,HE L,GONG M,et al.Breathable Ti3C2T x MXene∕Protein nanocomposites for ultrasensitive medical pressure sensor with degradability in solvents[J].Acs Nano,2021,15(6):9746-9758.[29]OH Y S,KIM J H,XIE Z,et al.Battery-free,wireless softsensors for continuous multi-site measurements of pressure and temperature from patients at risk for pressure injuries[J].Nature Communications,2021,12(1):5008.[30]CHO S,HAN H,PARK H,et al.Wireless,multimodal sensorsfor continuous measurement of pressure,temperature,and hydration of patients in wheelchair[J].Npj Flexible Electronics,2023,7(1):8.[31]HAN J,XU C,ZHANG J,et al.Multifunctional coaxial energyfiber toward energy harvesting,storage,and utilization[J].Acs Nano,2021,15(1):1597-1607.[32]YU R,ZHU C,WAN J,et al.Review of graphene-based textilestrain sensors,with emphasis on structure activity relationship[J].Polymers,2021,13(1):151.[33]XU L,JIAO X,SHI C,et al.Single-walled carbon nanotube∕copper core-shell fibers with a high specific electrical conductivity [J].Acs Nano,2023,17(10):9245-9254.18Vol.61㊀No.2Research on resistive flexible tactile sensors and their current applications in the field of medical and health care[34]TANG Z,JIA S,WANG F,et al.Highly stretchable core-sheathfibers via wet-spinning for wearable strain sensors[J].Acs Applied Materials&Interfaces,2018,10(7):6624-6635. [35]WU J,WANG M,DONG L,et al.A trimode thermoregulatoryflexible fibrous membrane designed with hierarchical core-sheath fiber structure for wearable personal thermal management[J].Acs Nano,2022,16(8):12801-12812.[36]LI P,GAO X,ZHAO B,et al.Multi-color tunable and whitecircularly polarized luminescent composite nanofibers electrospun from chiral helical polymer[J].Advanced Fiber Materials,2022, 4(6):1632-1644.[37]INNOCENT M T,ZHANG Z,CAO R,et al.Piezoresistive fiberswith large working factors for strain sensing applications[J].Acs Applied Materials&Interfaces,2023,15(1):2277-2288. [38]LIU Z,ZHENG Y,JIN L,et al.Highly breathable and stretchablestrain sensors with insensitive response to pressure and bending[J].Advanced Functional Materials,2021,31(14):2007622. [39]HU Y F,HUANG T,ZHANG H,et al.Ultrasensitive andwearable carbon hybrid fiber devices as robust intelligent sensors [J].Acs Applied Materials&Interfaces,2021,13(20):23905-23914.[40]ZHONG W B,MING X,JIANG H,et al.Full-textile humanmotion detection systems integrated by facile weaving with hierarchical core-shell piezoresistive yarns[J].Acs Applied Materials&Interfaces,2021,13(44):52901-52911. [41]ZHOU J,XU X,XIN Y,et al.Coaxial thermoplastic elastomer-wrapped carbon nanotube fibers for deformable and wearable strain sensors[J].Advanced Functional Materials,2018,28(16): 1705591.[42]WANG Y H,ZHU J,SHEN M,et al.Three-layer core-shell Ag∕AgCl∕PEDOT:PSS composite fibers via a one-step single-nozzle technique enabled skin-inspired tactile sensors[J].Chemical Engineering Journal,2022(442):136270.[43]DING X C,ZHONG W,JIANG H,et al.Highly accuratewearable piezoresistive sensors without tension disturbance based on weaved conductive yarn[J].Acs Applied Materials&Interfaces, 2020,12(31):35638-35646.[44]YU L T,YEO J C,SOON R H,et al.Highly stretchable,weavable,and washable piezoresistive microfiber sensors[J].Acs Applied Materials&Interfaces,2018,10(15):12773-12780. [45]ZHANG J,WANG Y,ZHOU J,et al.Multi-functional STF-basedyarn for human protection and wearable systems[J].Chemical Engineering Journal,2023,453(2):139869.[46]LI W,JIN X,HAN X,et al.Synergy of porous structure andmicrostructure in piezoresistive material for high-performance and flexible pressure sensors[J].Acs Applied Materials&Interfaces, 2021,13(16):19211-19220.[47]YANG M,CHENG Y,YUE Y,et al.High-performance flexiblepressure sensor with a self-healing function for tactile feedback[J].Advanced Science,2022,9(20):2200507.[48]YAO B,YE Z,LOU X,et al.Wireless rehabilitation trainingsensor arrays made with hot screen-imprinted conductive hydrogels with a low percolation threshold[J].Acs Applied Materials& Interfaces,2022,14(10):12734-12747.[49]CHEN D,LIU Z,LI Y,et al.Unsymmetrical alveolate PMMA∕MWCNT film as a piezoresistive e-skin with four-dimensional resolution and application for detecting motion direction and airflow rate[J].Acs Applied Materials&Interfaces,2020,12(27): 30896-30904.[50]CHOONG C L,SHIM M B,LEE B S,et al.Highly stretchableresistive pressure sensors using a conductive elastomeric composite on a micropyramid array[J].Advanced Materials,2014,26(21): 3451-3458.[51]PARK H,JEONG Y R,YUN J,et al.Stretchable array of highlysensitive pressure sensors consisting of polyaniline nanofibers and au-coated polydimethylsiloxane micropillars[J].Acs Nano,2015, 9(10):9974-9985.[52]SHI J,WANG L,DAI Z,et al.Multiscale hierarchical design of aflexible piezoresistive pressure sensor with high sensitivity and wide linearity range[J].Small,2018,14(27):1800819. [53]PANG Y,ZHANG K,YANG Z,et al.Epidermis microstructureinspired graphene pressure sensor with random distributed spinosum for high sensitivity and large linearity[J].Acs Nano,2018,12(3):2346-2354.[54]SUN Q J,ZHUANG J,VENKATESH S,et al.Highly sensitiveand ultrastable skin sensors for biopressure and bioforce measurements based on hierarchical microstructures[J].Acs Applied Materials& Interfaces,2018,10(4):4086-4094.[55]ZHOU Y,ZHAO L,TAO W,et al.All-nanofiber networkstructure for ultrasensitive piezoresistive pressure sensors[J].Acs Applied Materials&Interfaces,2022,14(17):19949-19957. [56]GAO X,ZHOU F,LI M,et al.Flexible stannum-doped SrTiO3nanofiber membranes for highly sensitive and reliable piezoresistive pressure sensors[J].Acs Applied Materials&Interfaces,2021,13(44):52811-52821.[57]XU J,ZHANG L,LAI X,et al.Wearable RGO∕MXenepiezoresistive pressure sensors with hierarchical microspines for detecting human motion[J].Acs Applied Materials&Interfaces,28。

《压阻式Graphene-MXene-PDMS@海绵柔性压力传感器及其性能研究》压阻式Graphene-MXene-PDMS@海绵柔性压力传感器及其性能研究一、引言随着可穿戴设备和智能设备的快速发展，柔性压力传感器在人体健康监测、人机交互、智能机器人等领域具有广泛的应用前景。

近年来，以石墨烯（Graphene）和MXene等新型二维材料为基材的柔性压力传感器因具有高灵敏度、快速响应和良好的稳定性等特点备受关注。

本篇论文将针对一种新型的压阻式Graphene/MXene-PDMS@海绵柔性压力传感器进行研究，并对其性能进行深入探讨。

二、材料与方法1. 材料选择本研究所用的主要材料包括Graphene、MXene、PDMS（聚二甲基硅氧烷）以及海绵。

这些材料具有良好的柔韧性、导电性和压力敏感性，适合用于制备柔性压力传感器。

2. 制备方法首先，将Graphene和MXene进行混合，制备成复合材料。

然后，将PDMS与复合材料进行混合，形成均匀的浆料。

最后，将浆料涂覆在海面上，经过固化处理，制备成Graphene/MXene-PDMS@海绵柔性压力传感器。

三、传感器性能研究1. 灵敏度分析通过实验测试，我们发现该柔性压力传感器具有较高的灵敏度。

当施加的压力发生变化时，传感器的电阻值也会发生相应的变化，且变化率较大。

这表明该传感器能够有效地将机械压力转化为电信号，具有较好的压阻效应。

2. 响应速度分析该柔性压力传感器具有较快的响应速度。

当压力作用于传感器时，传感器能够迅速地产生电阻变化，并在短时间内达到稳定状态。

这表明该传感器适用于需要快速响应的场合，如人体运动监测等。

3. 稳定性分析经过长时间的使用和多次循环测试，该柔性压力传感器表现出良好的稳定性。

其电阻值的变化率在多次测试中保持一致，没有出现明显的衰减现象。

这表明该传感器具有较长的使用寿命和较高的可靠性。

4. 应用领域分析由于该柔性压力传感器具有高灵敏度、快速响应和良好的稳定性等特点，因此可广泛应用于人体健康监测、人机交互、智能机器人等领域。

mxene基柔性传感织物结构成形及可穿戴应用•mxene基柔性传感织物结构概述•mxene基柔性传感织物结构的制备与表征•mxene基柔性传感织物结构在可穿戴领域的应用•mxene基柔性传感织物结构的优化与改进•mxene基柔性传感织物结构在其他领域的应用前景目录CHAPTERmxene基柔性传感织物结构概述定义特点mxene基柔性传感织物结构的定义与特点mxene基柔性传感织物结构的重要性人体运动监测01生理信号监测02可穿戴设备03mxene基柔性传感织物结构的研究现状与发展趋势研究现状目前，MXene基柔性传感织物结构的研究主要集中在材料制备、性能优化、传感器设计和应用拓展等方面，已经取得了一定的研究成果。

发展趋势未来，MXene基柔性传感织物结构的研究将进一步深入，研究方向包括提高灵敏度和稳定性、拓展应用领域、实现智能化和多功能化等，以满足不同领域的需求。

同时，随着技术的不断进步和成本的降低，MXene基柔性传感织物结构有望在未来实现大规模生产和应用。

CHAPTERmxene基柔性传感织物结构的制备与表征mxene基柔性传感织物结构的制备方法与工艺01020304化学合成法物理气相沉积法化学气相沉积法其他制备方法扫描电子显微镜（SEM）观察X射线衍射（XRD）分析拉曼光谱（Raman）分析电学性能测试mxene基柔性传感织物结构的微观结构与性能表征环境稳定性测试循环稳定性测试耐久性测试可靠性评估mxene基柔性传感织物结构的稳定性与可靠性分析CHAPTERmxene基柔性传感织物结构在可穿戴领域的应用智能服装智能内衣智能鞋垫在智能纺织品方面的应用睡眠监测将mxene基柔性传感织物结构应用于床垫中，可实现对睡眠者的睡眠质量、呼吸、心率等生理参数的实时监测，为医生提供准确的诊断依据。

远程医疗mxene基柔性传感织物结构可集成多种传感器，用于远程医疗监测，如实时监测患者的生命体征、运动功能等。

化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 10 期柔性可穿戴压阻式压力传感器研究进展徐娜，王国栋，陶亚楠（陕西科技大学轻工科学与工程学院，陕西 西安 710021）摘要：伴随着数字医疗与制造业的进步，灵活柔韧的柔性可穿戴设备可以和人体表面完全贴合，从而对人体运动及健康信号等进行监测，从而实现多种传感功能。

柔性可穿戴设备具有灵活性、体积可变、生物适应性好等优点，但仍然存在灵敏度低、检测范围有限、易受外界环境的干扰、可靠性低等问题。

在柔性可穿戴设备中，一个关键器件就是用于压力检测的柔性压力传感器。

在今后几年柔性可穿戴压力传感器会更加注重新型结构传感器的探索和整体高性能传感器的构建。

本文概述了近年来柔性压力传感器的研究进展，并就压力传感器种类、工作机理、设计原则及最新进展进行了说明。

通过近年来的文献重点对压阻式压力传感器在材料及器件设计等方面进行归纳整理与总结，并对压阻式压力传感器主要应用领域做了简单介绍。

从压阻式压力传感器的结构设计及今后应用的角度出发，概述了压阻式压力传感器的可靠性及未来面临的挑战。

关键词：压阻式压力传感器；结构设计；导电聚合物；工作机理；设计原则中图分类号：TP212 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）10-5259-13Flexible wearable piezoresistive pressure sensorsXU Na ，WANG Guodong ，TAO Yanan(College of Chemistry and Chemical Engineering, Shanxi University of Science & Technology,Xi’an 710021, Shaanxi, China)Abstract: Along with advances in digital healthcare and manufacturing, flexible and pliable wearable devices can fit perfectly with the surface of the human body to monitor human motion and health signals, etc ., and thus enabling a variety of sensing functions. Flexible wearable devices have the advantages of flexibility, variable volume and good biological adaptability, but there are still problems such as low sensitivity, limited detection range and low reliability vulnerable to interference from the external environment. A key device in flexible wearable devices is the flexible pressure sensor for pressure detection. In the next few years, flexible wearable pressure sensors will pay more attention to the exploration of new structural sensors and the overall construction of high-performance sensors. This paper provided an overview of the research progress of flexible pressure sensors in recent years, and explained the types of pressure sensors, their operating mechanisms, design principles and recent advances. The recent literature focuses on piezoresistive pressure sensors in terms of materials and device design were summarized and the main application areas of piezoresistive pressure sensors were briefly introduced. The reliability of piezoresistive pressure sensors and future challenges were outlined from the perspective of structural design and future applications of piezoresistive pressure sensors.综述与专论DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-2228收稿日期：2022-12-01；修改稿日期：2023-02-11。

《压阻式Graphene-MXene-PDMS@海绵柔性压力传感器及其性能研究》压阻式Graphene-MXene-PDMS@海绵柔性压力传感器及其性能研究一、引言随着科技的发展和物联网技术的崛起，柔性压力传感器已成为当下研究领域的热点之一。

该传感器广泛应用于医疗、智能机器人、穿戴设备等多个领域。

尤其是在物联网设备的多样化与个性化需求下，柔性压力传感器以其独特的优势，如高灵敏度、快速响应、良好的耐久性等，备受关注。

在众多材料中，石墨烯（Graphene）和MXene材料因其卓越的导电性和机械性能，成为了制备柔性压力传感器的理想材料。

本篇论文着重介绍以压阻式Graphene/MXene-PDMS为原料的、覆盖在海绵上而制成的柔性压力传感器，以及对其性能进行详细研究。

二、材料与方法（一）材料本实验主要采用Graphene/MXene复合材料、PDMS（聚二甲基硅氧烷）以及海绵等材料。

其中，Graphene和MXene因其独特的物理和化学性质，在电子和机械领域有着广泛的应用。

PDMS则因其良好的柔韧性和绝缘性被广泛应用于传感器制作中。

（二）方法首先，我们采用适当的工艺将Graphene/MXene与PDMS混合制备成导电墨水。

然后，将导电墨水均匀地涂覆在海绵表面，形成一层均匀的导电层。

最后，通过热处理和固化等工艺，使导电层与海绵形成牢固的结合，最终制得压阻式Graphene/MXene-PDMS@海绵柔性压力传感器。

三、实验结果与分析（一）传感器性能测试我们对所制备的压阻式Graphene/MXene-PDMS@海绵柔性压力传感器进行了性能测试。

测试结果表明，该传感器具有高灵敏度、快速响应和良好的稳定性等特点。

具体而言，该传感器在受到微小的压力变化时，能产生明显的电阻变化，且响应时间短，恢复速度快。

此外，该传感器在连续工作条件下表现出良好的稳定性，无明显的性能衰减。

（二）灵敏度分析为了进一步分析传感器的性能，我们对其灵敏度进行了测试。

清华大学任天令教授：石墨烯织物应力传感器研究取得重要进展2018-09-028月28日，清华大学微纳电子系任天令教授团队在《美国化学学会纳米》（ACS Nano）上发表了题为《用于人体运动检测的负电阻变化石墨烯织物应变传感器》（“Graphene Textile Strain Sensor with Negative Resistance Variation for Human Motion Detection”）的研究论文。

该传感器呈现出一种全新的特性，显示出负电阻变化特征，传感器与衣物完美贴合，可以直接缝制在衣物上用于检测腹式呼吸速率、脉搏等。

该传感器真正实现了与服装完美的集成，在生理信息检测和人体活动监测等方面有着重大的应用前景。

近年来，柔性力学传感器在人体生理信号检测方面的应用已经日渐成为了学术界的研究热点。

传统的电阻型力学传感器大多采用的是导电材料与高分子柔性衬底的结合体制备而成，虽然也具有柔性特点，但是由于高分子的不透气性，长时间与人体接触会造成不适感。

（从左到右）人体运动检测示意图，传感器灵敏度，脉搏信号，腹式呼吸监测结果任天令教授团队基于高温还原石墨烯，将石墨烯与织物相结合，不需要传统的高分子聚合物进行塑封，真正实现了器件与衣物的完美融合。

通过电阻变化对人体各种运动进行监测。

器件经过水洗处理，依然保持较高的稳定性，石墨烯起到“染色剂”的作用，对衣物进行染色，赋予器件优异的性能。

该器件在监测人体生理信号方面有着优异的性能，例如脉搏，腹式呼吸，关节运动和面部表情，还能实现对走，跑等走路姿态的监测。

近年来，任天令教授致力于石墨烯器件的基础研究和实用化应用的探索，尤其关注研究突破传统器件限制的新型微纳电子器件，在新型石墨烯声学器件和各类传感器件方面已获得了多项创新成果，如柔性石墨烯发声器件、新型石墨烯阻变存储器、光谱可调的石墨烯发光器件、石墨烯仿生突触器件、可调石墨烯应力传感器、仿生石墨烯压力传感器、极低功耗石墨烯钙钛矿阻变存储器等相关成果，有多篇论文发表于《自然通讯》（Nature Communications)《先进材料》(Advanced Materials)《纳米快报》(Nano Letters)《美国化学学会纳米》(ACS Nano)等国际著名学术期刊。

MXene-聚合物电磁屏蔽纳米复合材料制备及其性能研究摘要：本篇文章通过MXene/聚合物电磁屏蔽纳米复合材料的制备及其性能研究，探讨了该复合材料的结构与性能的关系，并阐述其在电磁屏蔽领域的应用前景。

在制备方面，采用了化学还原法制备MXene，再将其与聚合物进行混合，并通过离子凝胶法将其形成纳米复合材料。

对该复合材料的性能测试结果表明，这种复合材料具有良好的电磁屏蔽效果。

其中，材料的电磁波吸收性能与其形貌相关，而MXene的含量、堆积状态和形貌对复合材料的电磁波吸收性能有显著影响。

此外，研究还发现，复合材料的导电性也是影响其电磁屏蔽性能的重要因素。

最后，本文还简要介绍了该复合材料在电磁屏蔽领域的应用前景，包括在电子设备、通信设备等领域中的应用。

关键词：MXene；聚合物；电磁屏蔽；纳米复合材料；电磁波吸收一、引言近年来，随着现代科技的不断发展，电磁波污染已成为一个越来越严重的问题。

电子设备、通信设备等电磁辐射源的不断增加，使得频繁的电磁辐射给人们的生活带来了诸多负面影响。

为了解决这个问题，需要寻找一种有效的电磁屏蔽材料。

目前，已有多种电磁屏蔽材料被开发出来。

其中，纳米材料作为一类重要的电磁屏蔽材料，因其特殊的纳米结构和独特的性能，已被广泛研究和应用。

而近年来，一种名为MXene的新型纳米材料引起了科学家们的广泛关注。

MXene是由二维前驱体的多层晶格形成的可剥离的金属碳化物，具有优异的导电性和电磁波吸收性能。

因此，将MXene与其他材料复合制备出一种新型的电磁屏蔽材料被认为是一种有潜力的研究方向。

本篇文章主要研究MXene/聚合物电磁屏蔽纳米复合材料的制备及其性能研究。

在制备方面，采用了化学还原法制备MXene，再将其与聚合物进行混合，并通过离子凝胶法将其形成纳米复合材料。

在性能研究方面，主要研究了复合材料的电磁波吸收性能、导电性能。

最后，介绍了该复合材料在电磁屏蔽领域的应用前景。

二、实验方法2.1 柿子2.2 柿子2.3 柿子三、结果与分析3.1 复合材料的形貌分析3.2 复合材料的电磁波吸收性能分析3.3 复合材料的导电性能分析四、应用前景当前，MXene/聚合物电磁屏蔽纳米复合材料在电磁屏蔽领域的应用前景广阔。

简介弹性纤维主要包括橡胶弹性纤维和聚氨酯弹性纤维，弹性导电纤维是在弹性纤维的基础上赋予纤维优异的导电性，是可穿戴电子设备的重要组成部分，它在柔性传感、能源转换和医疗保健等领域展现出巨大的潜力。

制备工艺纺丝工艺1湿法纺丝同轴湿法纺丝，具有节省制作时间和优化结构的优点。

喷丝头是由同轴双孔的针头组成，纤维具有明显的同轴结构，可制备高度可拉伸的纤维基应变传感器，传感器不仅具有很高的灵敏度、高拉伸性和高线性度，还具有可重复性和耐用性。

弹性导电纤维的应变范围与导电填料构建的导电网络能承受的工作极限相关，因此湿法纺丝的关键在于如何均匀分散导电填料，导电填料在纺丝液中的分散程度决定纤维最终的性能。

2静电纺丝静电纺丝利用超高电压，纺丝液在电场力的作用下可以直接制备出纳米级的纤维，纤维在收集装置上形成薄膜状结构，内部存在大小不一的孔隙。

WANG X等采用静电纺丝法制备MW-CNTs/TPU纳米纤维薄膜，用于人体运动和压力检测。

该纳米纤维薄膜具有灵敏度高、监测范围宽、响应速度快、稳定性好等特点。

3熔融纺丝熔融纺丝是利用高温将纤维颗粒熔化进行挤出成形的方法，工艺简单且纺丝速度快，在实际生产中是最常用的生产工艺，但是制备的纤维电阻率较低。

PROBST H 等将TPU与CNTs混合后熔融纺丝，在CNTs质量分数为5%时纤维的导电性和弹性较为理想，电阻率达到110Ω/cm，断裂伸长率达到400%。

熔融纺丝过程中，导电填料与纤维颗粒的混和仅仅是通过螺杆搅拌进行分散，还需要考虑到熔融温度、搅拌时间、搅拌速度等因素，以确保纤维的质量和性能。

改性整理1纤维改性为了形成完整的导电网络，纺丝方法更多地考虑纺丝液与导电填料的混合问题，而后整理则是为了保证导电层在纤维表面稳定不脱落。

纤维制成织物之前具有高度的柔韧性和灵活性，因此可以根据不同的使用场景，编织出各种形式的结构。

LI J等制备了聚丙烯酸-聚环氧乙烷-聚多巴胺-碳纳米管纤维，CNTs在膨胀状态下被吸附，然后通过纤维收缩而被固定,提高导电层的稳定性。

同济大学祖国庆Angew.：仿生可拉伸气凝胶用于可穿戴电子设备！研究内容柔性和可穿戴压力传感器由于其独特的特性，如灵活性、便携性和优异的传感性能，在世界各地得到了广泛的研究。

它们在人工智能、机器人、电子皮肤、医疗保健、物理信号/运动监测等方面显示出广泛的潜在应用。

随着对电子皮肤、健康管理和极端压力监测的需求不断增加，迫切需要宽范围响应的柔性压力传感器。

人类皮肤可以感知低至100-1000 Pa的微小压力和高达约1MPa的高压。

迫切需要宽范围响应的压敏可穿戴电子设备，但其准备仍然是一个挑战。

同济大学祖国庆教授课题组报道了基于可拉伸和超弹性还原氧化石墨烯/聚氨酯纳米复合气凝胶的生物启发可穿戴电子产品。

该气凝胶具有热压层的梯度结构，可用于超宽检测1 Pa-12.6 MPa的压力。

相关工作以“Bioinspired Gradient Stretchable Aerogels for Ultrabroad-Range Response Pressure-Sensitive Wearable Electronics and High Efficient Separators”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

研究要点要点1. 该梯度气凝胶结合了高压缩性、高弯曲性、超弹性和高拉伸性的特性。

通过简单的溶胶-凝胶/热压/冷冻浇铸/环境压力干燥（APD）策略，将具有不同杨氏模量和压缩强度的三层rGO/PUF复合气凝胶组合在一起，实现了梯度多孔结构。

采用热压方法进一步提高气凝胶高模量层的模量和抗压强度，有效缓解了高压下压缩时阻力变化的饱和趋势，从而显著提高了所得压力传感器的检测上限。

气凝胶的低模量层允许压力传感器在低压下压缩时显示出高的阻力变化率，从而有效地提高了灵敏度并降低了检测下限。

要点2.得益于其超弹性和梯度结构，梯度模量从5.4 kPa到430 kPa，梯度压应力（90%应变）从25 kPa到37 MPa，基于梯度气凝胶的柔性压力传感器表现出1 Pa-12.6 MPa的超宽响应范围，这是有史以来报道的最宽范围之一。