DOI:10.1016/j.nanoen.2020.105559

可穿戴设备中的可伸缩和可扭曲传感器因其优异的柔性、稳定性和灵敏度而备受关注。自然界中的星鼻鼹鼠拥有一个柔韧且高度敏感的鼻子，其由数十个表皮附件或密集覆盖着小器官的射线组成，这为研究人员制备高度敏感的传感器提供了灵感。在此，研究者提出了一种策略以制备具有可伸缩和可扭曲结构的星鼻型传感器，其中通过静电纺丝和化学银涂层制备鼻子的射线状平行聚酰亚胺薄膜。传感器最终封装在PDMS中，由于采用了生物启发平行膜的设计，其灵敏度得到了显著提高。这种仿生传感器具有超轻、超薄和高灵敏度（仪表灵敏度（GF）约4,000）的特性，确保完美贴合人体皮肤以实现拉伸、扭曲和压力检测功能。最后，通过横向组装两个功能层，构建了一个全方位感应人体运动的各向异性传感器。这项研究强调了仿生传感器的有趣可能性，该传感器集轻巧、薄、可拉伸、可扭曲和各向异性特征于一体，可用于监测人体运动和个人健康的可穿戴设备。

图1.受生物启发的可拉伸和可扭曲传感器的示意图。（A）星鼻鼹鼠的图像。（B）在扫描电子显微镜下的星形，显示有22条射线。（C）更高放大倍率图像显示鼹鼠器官覆盖了一条射线。（D）示意图描绘了用于人体全方位运动检测的星鼻型可拉伸和可扭曲传感器。（E）示意图显示了由平行聚酰亚胺薄膜制成的仿生全方位传感器。（F）带有鼻子射线状平行聚酰亚胺薄膜的仿生传感器的示意图，用于响应电阻变化。（G）贴合在皮肤上的传感器图像。（H）SEM图像显示涂覆有银颗粒的平行聚酰亚胺膜。

图2.应变过程中的高灵敏度。（A-C）SEM图像和示意图显示了经（A）0，（B）25％和（C）55％不同应变处理后，传感器中Ag涂覆纳米线的形态变化。（D）55％应变装置在多次重复拉伸试验中的电流变化。（E）55％应变装置的电阻变化。（F）本研究中的应变仿生传感器与其他文献中的GF值比较。

图3.弯曲和扭曲特性的表征和模拟。（A和D）示意图显示弯曲（A）和扭曲（D）的过程。（B和E）不同程度的弯曲（B）和扭曲（E）测试。（C和F）通过COMSOL Multiphysics对传感器在弯曲（C）和扭曲（F）模式下的应变分布进行模拟。（G）所制备的应变传感器的等效电路模型。（H和I）比较在不同应变（H）和扭曲（I）下传感器的计算电阻值和实验电阻值。

图4.用于运动检测的仿生传感器的表征。（A）在走路、跑步和跳跃时检测膝盖和肘关节的运动。（B）长期励磁测试中的电流变化，表明器件的稳定性。（C）演示可伸缩传感器用作惯用右手乒乓球运动员的全方位运动检测器。（D-G）安装在肘部（D），腕部（E），膝盖（F）和脚踝（G）上的传感器，用于检测乒乓球运动员的身体动作。

图5.用于全方位运动检测的仿生各向异性传感器。（A）演示各向异性传感器（由相互交叉装配的两个可拉伸和可扭曲传感器组成）用作肩关节、肘关节和腕关节的潜在全方位运动检测器。（B）通过COMSOL Multiphysics模拟全方位传感器沿不同方向弯曲时的应力分布。（C和D）当肩上的全方位传感器以不同角度弯曲时，信号1（C）和信号2（D）的电流变化。（E）在不同弯曲角度下信号1与信号2的比值。