石墨烯基纖維傳感器提高了可穿戴產(chǎn)品響應速度

感器是物聯(lián)網(wǎng)終端設備的核心元件?？纱┐鲬儌鞲衅骺捎糜谑占梭w重要信號和人機交互，除實(shí)現精確感知所需的高靈敏度特征外，實(shí)際應用對傳感器的穿戴舒適度、重量、可靠性和穩定性均有非常高的要求，因此更敏感、小型化、集成化是目前傳感器的發(fā)展趨勢。將傳感器集成到傳統纖維中，利用其可直接編織到衣物的優(yōu)勢實(shí)現對人體局部形變的準確捕捉，是可穿戴傳感器件小型化和集成化的重要思路。

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石墨烯-高分子復合纖維具有質(zhì)量輕、信號噪聲低、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，可用于電阻型應變傳感器。對于感知心臟跳動(dòng)、脈博和眨眼等人體局部微小形變，其應變在0-10%范圍，需要傳感器件在發(fā)生形變時(shí)結構和電阻變化大，即高靈敏度，從而實(shí)現對信號的精確捕捉和對不同動(dòng)作狀態(tài)的準確辨析。然而，石墨烯基纖維傳感器在0-10%應變范圍內的靈敏度一般較低（GF~0.1-50），如何提高石墨烯基纖維傳感器在小應變范圍內的靈敏度是一個(gè)難題。

為解決上述問(wèn)題，中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所研究員丁古巧課題組提出了通過(guò)結構化設計減少石墨烯與高分子接觸面積來(lái)提高靈敏度的策略。他們利用石墨烯/聚偏氟乙烯/聚氨酯DMF體系在水相的相分離過(guò)程，制備了高分子納米球修飾的石墨烯多孔網(wǎng)絡(luò )纖維，這種結構大幅增強了該纖維在發(fā)生形變時(shí)石墨烯片層之間的結構變化，從而實(shí)現石墨烯基纖維靈敏度的顯著(zhù)提高。其靈敏度因子值在0-5%應變時(shí)為51，在5-8%應變時(shí)達到87，通過(guò)編織集成，他們進(jìn)一步驗證了該纖維在人體重要信號收集的準確性和對不同動(dòng)作狀態(tài)分析的可行性。同時(shí)，這種新型石墨烯基纖維傳感器最低形變檢測限達到0.01%，較好的應變-電阻線(xiàn)性關(guān)系可保證在信號后處理上的準確性，＞6000次的循環(huán)壽命有利于實(shí)際應用的穩定性。

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將此纖維編織進(jìn)紗布并作為眼罩，可實(shí)時(shí)監測眼球的轉動(dòng)等信息，未來(lái)可用于眼疾病人的監測和睡眠監測；同時(shí)，將該纖維集成到創(chuàng )口貼中，貼到手腕處，能夠識別手腕脈搏，而且脈搏信號能夠非常清晰表現出脈搏上的不同信號；該纖維也可編入手套，對不同手的彎曲進(jìn)行感應，表明其對于動(dòng)作信號準確把控。正是由于小球結構的存在，賦予該纖維比普通纖維更高的靈敏度，上述結果滿(mǎn)足可穿戴應變傳感器的要求，體現了石墨烯基應變傳感器件在智慧醫療、可穿戴設備等領(lǐng)域的應用潛力。

上述工作以Porous Fibers Composed of Polymer Nanoball Decorated Graphene for Wearable and Highly Sensitive Strain Sensor 為題近期在線(xiàn)發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials），第一作者為上海微系統所博士生黃濤，通訊作者為丁古巧和何朋。

丁古巧課題組長(cháng)期致力于石墨烯材料的創(chuàng )新制備和應用基礎研究，相關(guān)工作得到國家自然科學(xué)基金面上項目、青年項目（51802337，11774368和11804353）和博士后創(chuàng )新人才支持計劃（BX201700271）以及上海市科委項目（18511110600）的大力支持。
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