新加坡国立大学欧阳建勇教授课题组：可粘附的可穿戴应变传感器
近年来，柔性可穿戴应变传感器在健康医疗监测、人体运动监控以及人机交互等领域得到了巨大的关注。虽然在文献中报道的柔性应变传感器一般可拉伸从而能监测人体的运动，但它们与皮肤的接触会受到人体运动的影响而并不能总是与皮肤形成良好的共形接触，因此会产生较为严重的噪音。尤其是在凹形的皮肤表面或是皮肤会形成凹面的运动，传感器甚至会部分与皮肤表面分离，从而无法准确地监测人体的运动，甚至产生虚假的信号。这些噪音及虚假的信号严重的限制了柔性可穿戴传感器的实际应用。
针对这一问题，新加坡国立大学欧阳建勇教授课题组发明了一种可以总是与皮肤保持良好接触的柔性可拉伸应变传感器。该器件具有粘附层和感应层两层结构，粘附层为具有生物相容性的水性聚氨酯(WPU， 图1)，感应层为石墨烯/碳纳米管的水性聚氨酯复合物。粘附层能保证该器件在人体运动过程中总是与皮肤形成良好的共形接触，准确地跟随皮肤的变形而变形。与其他非粘附的柔性可拉伸应变传感器相比较，这些器件能产生显著低的噪音和高的质量的信号。不论是肌肉运动这样的小应变，还是关节大范围运动的大应变，该传感器都能准确监测并产生良好的信号。当该粘附应变传感器被贴附在不平整或者不规则皮肤表面时，其对信号质量的提升更加明显。此外，该传感器还能够用于同时监测来自两个不同方向的运动，这是普通非粘附的应变传感器所做不到的。
图1. （a）可粘附柔性应变传感器的结构示意图，包括顶层感应层以及底部的粘附层。（b）粘附水性聚氨酯（aWPU）的化学结构。（c）aWPU的硬段及软段成分。（d）aWPU硬段域及软段域的微观结构示意图。（e）硬段含量为25%、30%、35%及40%的aWPU照片。（f）aWPU-25%, aWPU-30%, aWPU-35% 和 aWPU-40%分散液的动态光散射图谱。
如图2，当用于监测食指弯曲运动时，可粘附应变传感器所产生的信号光滑且稳定，相反，非粘附的应变传感器所产生的信号较为杂乱，且有明显的噪音。这是因为可粘附传感器总是可以和皮肤表面形成良好的共形接触，从而显著降低噪音，而非粘附的应变传感器与皮肤的接触容易收到运动的影响。
图2. 传感器在食指上的位置（a）示意图及（b）照片。（c）当食指弯曲时可粘附传感器（右）和非粘附传感器（左）所产生的信号。
该研究小组还对比了当关节多方向运动时，该粘附应变传感器较普通非粘附应变传感器的优势。比如，当腕关节向下弯曲时，皮肤表面形成凸面，非粘附应变传感器能够跟随弯曲角度的不同产生不同的电阻信号，然而当腕关节向上弯曲形成凹面时，非粘附传感器将会与皮肤表面分离，从而不产生信号。然而该干粘附应变传感器对不论是哪个方向的运动，都能产生高质量的信号，且灵敏度更高。
图3. （a）可粘附应变传感器和非粘附应变传感器监测关节凸向运动及凹向运动的示意图。（b）腕关节向下弯曲形成凸表面，向上弯曲形成凹表面。（c）可粘附应变传感器和（d）非粘附应变传感器监测腕关节不同弯曲角度时的信号响应。（e）可粘附应变传感器和（f）非粘附应变传感器连续监测腕关节弯曲时的信号响应。
穿戴式可拉伸应变传感器在许多领域都有重要的应用。然而，高噪声对于它们用于监测身体运动的应用是一个很大的障碍。噪声主要是由于与传感器和皮肤之间接触不良有关的运动伪影。在这里，展示了可穿戴的可拉伸干燥和自粘应变传感器，即使在身体运动期间也始终可以与皮肤形成共形接触。它们是通过溶液涂层制备的，由两层组成：由生物相容性弹性体水性聚氨酯制成的干粘合剂层和由还原性氧化石墨烯和碳纳米管的非粘合剂复合材料制成的传感层。粘合层使传感器贴合皮肤，而传感层则表现出对应变敏感的电阻。传感器用于精确监视小型和大型人体运动，包括各种关节运动和肌肉运动。即使在曲线皮肤表面和不规则皮肤变形期间，它们也始终可以生成高质量信号。灵敏度明显高于非粘性应变传感器，而噪声显着低于非粘性应变传感器。它们还可以用于监视沿两个垂直方向的运动，这是非粘性应变传感器无法实现的。
论文原题： " Wearable stretchable dry and self-adhesive strain sensors with conformal contact to skin for high-quality motion monitoring"发表在Advanced Functional Materials上，通讯作者为欧阳建勇教授，第一作者为来自浙江大学的访问博士王珊。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202007495
来自：中国聚合物网