柔性应变传感器在人体健康监测、人工皮肤、运动性能监测、人机界面等方面具有广阔的应用前景，近年来引起了人们的广泛关注。多种材料和结构，包括纳米尺寸的金属、导电聚合物、纳米碳材料和纤维或核-壳结构，都被用来提高灵敏度、拉伸性、线性度和稳定性。但是，传统的单轴应变传感器缺乏检测多方向运动的能力，限制了其在复杂人机界面、动态人体运动实时监测等非常规传感技术领域的应用。由于应变传感器导电网络的宏观或微观各向同性，使得实现多向应变传感的难度较大，通常在向多方向拉伸时都会发生类似的变形。因此，要实现高精度地测量三维空间中的复杂运动，需要合理的设计和使用合适的材料来检测多向应变。
近日，香港科技大学研究者采用简便、低成本的静电纺丝方法制备了高度取向、各向异性的碳纳米纤维(ACNF)/聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合材料，成功构建了一种多向应变传感器，能够检测多向应变。CNFs的多向传感能力在于其高度取向的结构，在不同的加载方向上，CNFs具有不同的形态变化，因此具有不同的电阻变化。由于单层ACNF传感器在不同方向上的选择性很高，最大GF差值≈180，因此由两个正交叠加的ACNF薄膜组成的交叉层ACNF应变传感器可以准确区分不同角度作用的平面内应变。ACNF应变传感器还有其他优异的特性，包括半透明性、良好的结构耐久性和良好的可拉伸性，类似于人类皮肤。揭示了多向ACNF应变传感器的工作机理，成功演示了单层和交叉层ACNF应变传感器的新应用，包括led的简易控制和人体滑膜关节多自由度运动的识别。其中，交叉的ACNF应变传感器能够区分不同的手腕运动，非常适合监测和提高运动性能。因此，本研究报道的新型多方位传感器的潜在应用可能为下一代软、柔性电子产品的未来发展带来新的曙光。相关研究成果以“Highly Aligned, Anisotropic Carbon Nanofiber Films forMultidirectional Strain Sensors with Exceptional Selectivity”为题目发表于国际著名期刊Advanced Functional Materials上。
图1 ACNF应变传感器的制备过程示意图。
图2 ACNF的优异特性。
图3 单层和交叉层ACNF应变传感器的应变传感性能。
图4 单层ACNF应变传感器的应变传感机理。
图5 交叉多向应变传感器作为LED控制器和人体运动探测器的实际应用。
图6 由交叉折叠式多向应变传感器构成高尔夫挥杆分析仪。
