近年来，由于柔性可穿戴电子设备的固有特性，它作为传统刚性金属导体在个人健康监测、人体运动检测和感觉皮肤方面的替代选择，引起了人们的极大兴趣。然而，大多数可穿戴传感器的实际应用普遍受到延展性和灵敏度差、强度不理想、电导率低、感觉功能单一等因素的限制。本文设计了一种基于羧基丁苯橡胶(XSBR)和亲水性丝胶(SS)的非共价修饰碳纳米管(CNTs)的氢键交联网络，并将其制成多功能传感器。复合多功能传感器能够检测弱和大变形, 其检测下限为1%应变，伸长率高达217%，强度为12.58 MPa，灵敏度高，测量系数高达25.98，电导率为0.071 S m−1，渗流阈值为0.504 wt%。此外，所制备的传感器还具有高热响应(0.01636°C⁻¹)，实现了在人体温度测量中的应用。多功能、可扩展的XSBR/SSCNT传感器集成了实时和原位生理信号跟踪能力，为开发可穿戴人工智能在人类健康和运动应用领域提供了一条有前景的道路。
 
 
Figure 1. XSBR/SSCNT传感器的制备工艺和表征。a)柔性XSBR/SSCNT传感器胶乳成膜制备示意图。b) XSBR/SSCNT薄膜干燥热压后宏观部分(黑体)。c-f) XSBR/SSCNT-1、XSBR/SSCNT-3、XSBR/SSCNT-5、XSBR/SSCNT-7低温断口的SEM图像。
 
 
Figure 2. a)添加不同碳纳米管的XSBR和XSBR/SSCNT传感器的FTIR光谱。b) XSBR/CNT-5和XSBR/ SSCNT传感器的拉曼光谱。SSCNT和XSBR/SSCNT-5的c) O1s和d) N1s的XPS谱图。e)纯XSBR和XSBR/SSCNT传感器的交联密度。f)吉布斯自由能和熵变随碳纳米管含量的变化。
 
 
Figure 3. 传感器的应变性能。a) XSBR/SSCNT传感器膜在200%和400%载荷下的拉伸能力。b) XSBR/SSCNT薄膜在2kg载荷下拉伸性能的照片。c)不同碳纳米管含量的纯XSBR和XSBR/SSCNT传感器的拉伸应力-应变曲线。d)不同碳纳米管含量的纯XSBR和XSBR/SSCNT传感器的极限拉伸强度比较，e)杨氏模量，f)韧性。g) XSBR/SSCNT传感器拉伸前后纳米结构示意图。
 
  
Figure 4. XSBR/SSCNT传感器的机电性能。a)不同碳纳米管含量的XSBR/SSCNT传感器电导率。b)电导率与(Φ−Φ_c)/(1−Φ_c)的对数图。c)与其他报道的导电复合材料的电导率和拉伸应力的Ashby图。d)以XSBR/SSCNT-5为导体的LEDa(工作电压9.8 V)在拉伸和弯曲前后的亮度比较。e) XSBR/SSCNT-5在不同菌株下的相对抗性随时间的变化。f) XSBR/SSCNT-5在300mm min⁻¹拉伸速率下的典型相对电阻应变曲线。g)在0-3%的应变范围内，相对电阻随施加应变的变化。h)在逐渐减小的阶跃应变下，从10%到1%施加应变下的相对电阻变化。插图显示了XSBR/SSCNT-5在1%应变下的耐久性。i) XSBR/SSCNT-5在5%应变作用下的响应曲线为0.2 s。
 
 
Figure 5. XSBR/SSCNT-5的温度传感性能。a) XSBR/SSCNT-5在温度从30℃升高到100℃时的归一化相对电阻变化。b) XSBR/SSCNT-5电阻随温度的变化呈非线性关系。c) Arrhenius图显示ln(R)与1000/T呈线性关系。d)传感器在40 ~ 80℃反复冷却和加热过程中具有重复性的温度识别能力。e)正常状态下及置于热水瓶(60℃)10s . f后前臂皮肤温度的红外热图像。热敏传感器对热(60℃)和冷(20℃)水的瞬时电响应。
 
 
Figure 6.可穿戴式XSBR/SSCNT柔性传感器的应用，用于检测各种人体动作和声音。相对阻力随a)手腕弯曲运动的照片和b)相应的信号而变化。c)弯曲肘部。d)装配在膝关节上的传感器光学图像，以及相应的e)屈/伸、蹲、跳信号;f)慢走-快走，慢跑-跑。g)柔性应变传感器监测腕脉的相对电阻变化。插图显示了手腕上的传感器(左)和单个脉冲信号(右)的照片。h)监测微笑微小肌肉运动时传感器信号的响应性。插图:扑克脸和微笑脸的照片。i)当佩戴者说“我是”、“橡胶”、“学校”、“传感器”、“欢迎”时的发音。“j)附着在腹部的传感器的光学图像，以及k)两种不同呼吸模式，深呼吸和浅呼吸的相应信号。
 
 
Figure 7. a,b)无线检测XSBR/SSCNT传感器外部连接示意图和光学图像c)通过手机app接收手指弯曲运动数据d)使用XSBR/SSCNT传感器作为行动受限患者的警报或警告。e,f)跑步时的电流变化，并降低“人工发热”。g,h)“人工发热”前后人类前额的红外热像图。
 
       相关研究工作由广西大学Chuanhui Xu 课题组于2021年发表在《ADVANCED MATERIALS》上，原文：A High-Performance, Sensitive, Wearable Multifunctional Sensor Based on Rubber/CNT for Human Motion and Skin Temperature Detection。

转自《石墨烯研究》公众号