彎曲傳感器作為柔性可穿戴電子器件中不可或缺的一種，廣泛應(yīng)用于人體健康監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、以及人機(jī)交互。近十年來(lái)，研究者們主要基于兩種策略推動(dòng)彎曲傳感器的發(fā)展。一種策略是設(shè)計(jì)與合成新型活性材料，如金屬納米粒子與納米線(xiàn)、導(dǎo)電聚合物、以及碳基材料等。材料創(chuàng)新雖然是拓展傳感器傳感功能的強(qiáng)有力工具，但新材料的工業(yè)成本難以預(yù)估。另二種策略是利用現(xiàn)有的商用材料，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改善傳感器的性能。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)目標(biāo)傳感功能挑選合適的低成本材料制備柔性傳感器。
五邑大學(xué)柔性傳感材料與器件研究開(kāi)發(fā)中心的羅堅(jiān)義教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一系列纖維結(jié)的結(jié)構(gòu)模型（圖1）。根據(jù)此結(jié)構(gòu)模型，將兩根纖維在柔性電路板（FPC）上簡(jiǎn)單地鉤連成一個(gè)結(jié)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)具有方向性識(shí)別的彎曲傳感器。（此結(jié)構(gòu)模型具有普適性，作者分別采用市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)的碳纖維、石墨烯纖維、以及不銹鋼纖維作為傳感材料，按照作者提出的結(jié)構(gòu)模型制備的彎曲傳感器都具有方向性識(shí)別的特性）
▲圖1 纖維結(jié)結(jié)構(gòu)模型圖
作者隨后對(duì)彎曲傳感器的性能進(jìn)行表征，結(jié)果表明彎曲角度的大小和方向與電信號(hào)的關(guān)系可以通過(guò)理論公式（見(jiàn)公式1）進(jìn)行描述。采用這種簡(jiǎn)單可行的方法制備的彎曲傳感器還具有高分辨率（1°）、較寬的工作范圍（-90°至+90°）、以及動(dòng)態(tài)彎曲耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。
(公式1)
▲圖2 彎曲傳感器應(yīng)用于檢測(cè)關(guān)節(jié)彎曲
▲圖3 彎曲傳感器應(yīng)用于檢測(cè)肌肉收縮（分辨最佳健身動(dòng)作）
在應(yīng)用方面，作者根據(jù)彎曲傳感器的特性分別將其應(yīng)用于檢測(cè)關(guān)節(jié)彎曲和肌肉收縮（圖2，圖3）。在關(guān)節(jié)彎曲檢測(cè)中，彎曲傳感器除了可以識(shí)別關(guān)節(jié)彎曲的角度，還能分辨出關(guān)節(jié)彎曲的方向。在肌肉收縮檢測(cè)中，彎曲傳感器能夠識(shí)別出健身動(dòng)作是引起肌肉收縮還是肌肉舒張，以及分辨出對(duì)肌肉鍛煉效果最佳的健身動(dòng)作，對(duì)健身運(yùn)動(dòng)具有指導(dǎo)作用。
綜上所述，作者基于提出的結(jié)構(gòu)模型，利用現(xiàn)有的導(dǎo)電纖維材料，采用一種簡(jiǎn)單的方法制備了方向識(shí)別的彎曲傳感器。
以上成果以“Fiber-junction design for directional bending sensors”為題發(fā)表在柔性電子領(lǐng)域國(guó)際頂刊Nature合作期刊npj Flexible Electronics上，這項(xiàng)研究工作是在五邑大學(xué)柔性傳感材料與器件研究開(kāi)發(fā)中心、五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院、五邑大學(xué)智能制造部、五邑大學(xué)藝術(shù)學(xué)院、以及廣東天物新材料科技有限公司共同協(xié)作下進(jìn)行的，文章的第一作者是五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院2021屆碩士研究生李準(zhǔn)董，通訊作者為五邑大學(xué)陳智明博士和羅堅(jiān)義教授。此外，該研究還得到來(lái)自五邑大學(xué)智能制造學(xué)部和藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院的技術(shù)支持。
文獻(xiàn)及DOI：
Fiber-junction design for directional bending sensors.
DOI：10.1038/s41528-021-00102-2.
