基于纤维纱线或织物的可拉伸电子器件因其柔韧性、可拉伸性、透气性等优点而备受关注。与传统的纤维膜类器件相比，纱线或织物类可拉伸电子器件更容易集成到服装中，因此有着更广阔的应用前景。然而，在大多数情况下，纤维纱是通过捻合现成的单根纤维制造的，或者需要复杂的设备，从而增加了制造工艺的复杂性。此外，大多数导电纱线难以用于纺织加工，传统纱线制成的传感器也无法直接用来监测人们的日常运动。因此，在开发简单、低成本和可扩展的应变传感器制造策略方面仍然存在挑战。

近日，青岛大学孙彬教授团队在期刊《Journal of Materials Chemistry A》上发表了最新研究成果“Highly stretchable GR/TPU strain sensor based on one-step electrospun fibrous yarns for wearable devices“。研究者通过一步法电纺TPU纳米纤维纱制备了一种具有高拉伸的石墨烯（GR）/热塑性聚氨酯（TPU）应变传感器。该应变传感器显示出较大的应变范围（大于 140%）、46.19 的高灵敏度以及超过 10000 次拉伸释放循环后的耐用性。凭借这些出色的性能，基于应变传感器的纺织品可用于监测人体的各种运动。此外，还能准确检测物体落在纺织品上的精确位置。在最大工作电压下，其工作温度也在人体皮肤的安全温度范围内，该应变传感器在下一代可穿戴电子产品中显示出巨大的潜力。

图1 GR/TPU纱线的制备过程、光学照片以及微观结构。

图2 不同转速下TPU纱线以及GR/TPU纱线的形貌分析。

随着转速的增加，纱线的直径减小，如图2所示。由于 GR 纳米片的存在使TPU纤维表面变得粗糙，因此，GR/TPU纱线的形貌与原TPU纱线略有不同。

图3 150@GR/TPU纱线的传感性能测试。

团队使用超声的方法使GR沉积到TPU纤维上，这些纤维相互交织在TPU纱线表面形成了致密的导电网络，从而使纱线具有出色的导电性能，150@GR/TPU纱线的应变范围高达140%，其在0%至100%应变的10000次动态拉伸-释放循环中，信号的最大值几乎保持不变，具有出色的可靠性和稳定性。

图4 GR/TPU应变传感器对人体不同位置的运动检测。

 图5 应变传感阵列识别物体位置的检测。

通过纺织技术制备了GR/TPU应变传感器（应变传感器阵列），凭借其灵活性和宽应变范围，应变传感器阵列能够通过电信号输出识别各种身体运动，例如腕关节、肘关节和膝关节等运动（图4）。此外，应变传感器阵列还可以通过精确测量纺织品每个部分不同程度的电阻变化来确定钢球的位置（图5）。GR/TPU 应变传感器在工作电压（20 V）下的最高温度仅为 37.8 °C。

该工作得到了山东省自然科学基金和青岛诺康环保科技有限公司的大力支持。

论文链接：https://doi.org/10.1039/d4ta00176a

通讯作者：

孙彬，青岛大学电子信息学院教授、硕士生导师，研究方向为柔性电子器件及其热管理。目前在npj Flexible Electron.、Nat. Commun.、Prog. Mater. Sci.、Prog. Polym. Sci.等期刊上发表论文40余篇，他引4000余次，第一位次申请国家发明专利9项并获授权5项；主持山东省自然科学基金面上项目2项。