河北大学：受人体皮肤启发的柔性同轴复合纤维，用于可穿戴设备

成果简介

纤维传感器在人类活动、健康监测和人机交互领域备受关注，因为它们能够测量人类活动信号，如温度和压力。尽管纤维传感器存在许多不同的结构和导电材料，但纤维多功能传感器的设计和制造仍然面临重大挑战。本文，河北大学Wenming Zhang 等研究人员在《Lab Chip》期刊发表名为“Flexible coaxial composite fiber based on carbon nanotube and thermochromic particles for multifunctional sensor and wearable electronics”的论文，研究受人体皮肤启发的三层同轴核壳结构制备了一种独特的热致变色压力（TCP）传感器。

在45-05%应变范围内，GF值高达10.80，灵敏度为5.926 kPa 1在0.2-2.0 kPa压力范围内，而热致变色微胶囊的存在使纤维传感器在不同温度下表现出不同的颜色：18 C的蓝色，40 C的紫色和60 C的绿色。多功能纤维传感器可以实时监测人体关节活动和环境温度变化，并且由于其纤维形状更容易集成到可穿戴织物中，为可穿戴健康监测提供了新的可能性。

图文导读

图1、（a） TCP光纤的制备过程。（b） 纯聚氨酯前体溶液。（c） 掺杂有聚氨酯前体溶液的碳纳米管。（d） 热致变色材料掺杂聚氨酯前体溶液。（e） 由TCP纤维制成的弓。（f） 在18 C下掺杂热致变色材料的聚氨酯溶液。（g） 在40 C下掺杂热致变色材料的聚氨酯溶液。（h） 在60 C下掺杂热致变色材料的聚氨酯溶液。（i） TCP纤维结的SEM。

图2.材料表征及形貌

图4、 （a） 热致变色粉末的热致变色原理。（b） 电子显微镜下热致变色粉末的形貌。（c）温度变化后电子显微镜下热致变色粉末的形貌。（d） 不同温度下TCP光纤颜色变化的数码照片。（e） 四根光纤的傅里叶红外光谱。（F-H）TCP光纤的紫外可见光谱。（i） 四种纤维的应力-应变曲线。（j） 四型纤维的杨氏模量。（k） 四种纤维的拉伸强度。（l） 四种纤维的拉伸断裂率。

图5、（a） TCP光纤传感器信号采集传输系统示意图。（b） 应变和压力传感器的传感机构图。（c） TCP传感器测试手指压力响应曲线和手指压力照片。（d） TCP传感器测试响应曲线和装有溶液的小瓶的相应新闻照片（插图：TCP光纤照片）。（e） TCP传感器测试手指弯曲响应曲线和手指弯曲照片。（f） TCP光纤传感器测试颈部弯曲响应曲线和颈部弯曲照片。（g） TCP光纤传感器测试膝关节弯曲响应曲线和膝关节弯曲照片。（h） TCP光纤传感器测试弯头响应曲线和弯头弯曲照片。

图6、可穿戴电子产品应用图示

小结

综上所述，采用一步湿法纺丝构建了三层同轴热应力/压力纤维，并详细介绍了纤维在可穿戴应变/压力和温度传感器中的应用。作者相信，这种传感器制造方法可以普及并可以大规模制造，展示TCP传感器在可穿戴电子领域的潜力，并为下一代可穿戴电子产品提供新的发展可能性。

文献：

• https://doi.org/10.1039/D3LC00164D