第一作者：何靜松
通訊作者：劉賢哲、黃愛(ài)萍、羅堅(jiān)義
背景介紹及內(nèi)容概述
呼吸是重要的生命體征之一，可用于健康評(píng)估和運(yùn)動(dòng)管理。柔性電阻應(yīng)變傳感器具有靈敏度高、線(xiàn)性度好和響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)個(gè)人呼吸行為提供了機(jī)會(huì)。然而，電阻式應(yīng)變傳感器存在一些關(guān)鍵問(wèn)題，如應(yīng)變不匹配、接觸性能差和濕度敏感性等，這些問(wèn)題很容易引起電氣噪聲，從而限制了其應(yīng)用場(chǎng)景。
近日，五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院、柔性傳感材料與器件研究開(kāi)發(fā)中心羅堅(jiān)義教授、黃愛(ài)萍教授、劉賢哲博士團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種新型可拉伸碳纖維束應(yīng)變傳感器（SCFBSS），該傳感器在0-40% 拉伸應(yīng)變下表現(xiàn)出高度的線(xiàn)性度（R2=0.99601），且具有優(yōu)異的抗干擾性能（對(duì)彎曲、扭曲不敏感）、長(zhǎng)期耐用性和防水性等特點(diǎn)。此外，還進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了一套可穿戴呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不僅能精確分辨不同的呼吸模式，提高早期疾病診斷的準(zhǔn)確性，還能遠(yuǎn)程捕捉游泳過(guò)程中的實(shí)時(shí)呼吸信息，指導(dǎo)游泳訓(xùn)練等。這表明，我們的可拉伸應(yīng)變傳感器在用于健康監(jiān)測(cè)和游泳運(yùn)動(dòng)呼吸訓(xùn)練指導(dǎo)的可穿戴電子設(shè)備和智能服裝中具有巨大的應(yīng)用潛力。
本文以”Waterproof, stretchable and wearable corrugated conductive carbon fiber strain sensors for underwater respiration monitoring and swimming instruction”為題發(fā)表在Applied Materials Today期刊上。
圖1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)游泳者呼吸狀態(tài)的智能可穿戴水下呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
圖2 (a)用于呼吸監(jiān)測(cè)的智能衣示意圖和SCFBSS的結(jié)構(gòu)圖；(b) SCFBSS拉伸應(yīng)變的工作原理；
圖3 (a) SCFBSS的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)；(b) SCFBSS在不同拉伸應(yīng)變下的I-V特性曲線(xiàn)；(c) SCFBSS的相對(duì)電阻隨外部拉伸應(yīng)變的變化；(d) SCFBSS對(duì)逐步增加的循環(huán)載荷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；(e) SCFBSS在0至30%應(yīng)變范圍內(nèi)的滯后曲線(xiàn)；(f) SCFBSS在水中洗滌后的電輸出性能，插圖顯示了模擬的洗滌環(huán)境；(g) SCFBSS在空氣和水環(huán)境中不同拉伸應(yīng)變下的|?R|/R0變化；(h) SCFBSS在30%的拉伸應(yīng)變下5000次循環(huán)的穩(wěn)定性和可靠性，插圖顯示了中間周期放大的|?R|/R0波形；(i) SCFBSS在拉伸、釋放、彎曲和扭曲等不同機(jī)械干擾下的抗干擾性能。
圖4 SCFBSS捕捉到的各種呼吸狀態(tài)：（a）正常呼吸；（b）快速呼吸；（c）緩慢呼吸；（d）深度呼吸；（e）潮式呼吸；（f）間斷呼吸；(g) 模擬異常呼吸的連續(xù)呼吸監(jiān)測(cè)，包括哮喘、呼吸暫停和窒息。
圖5 智能呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在水下呼吸監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。(a) 智能呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)效果圖；（b）在空氣中和（c）在水下的正常呼吸監(jiān)測(cè)；(d) 志愿者在水中換氣的呼吸監(jiān)測(cè)，志愿者在水面上吸入空氣，然后在浸入水中時(shí)逐漸呼出；(e) 志愿者三種呼吸換氣模式的輸出響應(yīng)曲線(xiàn)：一劃一呼吸、二劃一呼吸和三劃一呼吸。(f) 志愿者整個(gè)游泳過(guò)程的呼吸監(jiān)測(cè)。
總結(jié)與展望
總之，基于CFB材料通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制備出了一種新型SCFBSS，它具有出色的線(xiàn)性響應(yīng)，能夠?qū)粑鼤r(shí)胸廓運(yùn)動(dòng)引起的拉伸應(yīng)變做出響應(yīng)。該傳感器具有出色的線(xiàn)性度（0~40% 拉伸應(yīng)變下的 R2=0.99601）、抗機(jī)械干擾、優(yōu)異的穩(wěn)定性、長(zhǎng)期耐用性和出色的防水性。與紡織背心集成在一起的SCFBSS對(duì)呼吸胸腔收縮和放松引起的輕微應(yīng)變保持高靈敏度。它能精確捕捉呼吸的全部信息，有助于區(qū)分正常和異常的呼吸模式，提高醫(yī)療診斷的準(zhǔn)確性。為了擴(kuò)展SCFBSS的應(yīng)用場(chǎng)景，我們開(kāi)發(fā)了一種智能可穿戴呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于采集游泳時(shí)的實(shí)時(shí)呼吸信號(hào)，其數(shù)據(jù)可作為評(píng)估個(gè)人肺功能和指導(dǎo)游泳訓(xùn)練的參考。結(jié)果表明，我們的智能可穿戴呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可為開(kāi)發(fā)用于各種日?；顒?dòng)中健康監(jiān)測(cè)和運(yùn)動(dòng)管理的智能服裝提供新的機(jī)遇。
作者及團(tuán)隊(duì)介紹
第一作者：何靜松，男，五邑大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)院2021級(jí)材料與化工碩士研究生。
通訊作者：羅堅(jiān)義，男，工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院院長(zhǎng)，五邑大學(xué)柔性傳感材料與器件研究開(kāi)發(fā)中心主任（創(chuàng)始人），國(guó)務(wù)院政府特殊津貼專(zhuān)家（2023），廣東省杰出青年基金獲得者，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃智能傳感重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)會(huì)評(píng)專(zhuān)家，南粵優(yōu)秀教師，江門(mén)市首屆“僑鄉(xiāng)青年榜樣”，江門(mén)市優(yōu)秀科技工作者，江門(mén)市“十佳教師”。主要研究領(lǐng)域包括：柔性傳感材料與器件應(yīng)用（柔性觸覺(jué)傳感、溫度傳感、氣壓傳感和彎曲傳感等）；納米功能材料合成；智能調(diào)光變色材料與器件。
通訊作者：黃愛(ài)萍，女，工學(xué)博士，教授級(jí)高級(jí)工程師、五邑大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，中國(guó)電源學(xué)會(huì)磁技術(shù)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員、中國(guó)電源學(xué)會(huì)會(huì)員、江門(mén)市一級(jí)高層次人才，《磁性材料及器件》青年編委。長(zhǎng)期從事高性能軟磁鐵氧體材料研發(fā)及制造技術(shù)研究，科技成果“兼具雙重特性高性能錳鋅鐵氧體材料”屬于國(guó)際首創(chuàng)，開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)錳鋅鐵氧體新材料研究局部引領(lǐng)世界的先河，并實(shí)現(xiàn)了低成本產(chǎn)業(yè)化。主要研究方向：鐵氧體、金屬軟磁及其復(fù)合材料的設(shè)計(jì)研發(fā)與制備技術(shù)；各類(lèi)傳感器（力學(xué)、氣體、磁場(chǎng)等）的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究。
通訊作者：劉賢哲，男，工學(xué)博士，講師，碩士生導(dǎo)師，主持廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金項(xiàng)目（青年基金項(xiàng)目）1項(xiàng)；主要研究方向?yàn)椋喝嵝詡鞲胁牧虾推骷捌鋺?yīng)用研究、新型光電材料與器件、噴墨印刷柔性電子器件。
附文獻(xiàn)及DOI號(hào)：
Waterproof, stretchable and wearable corrugated conductive carbon fiber strain sensors for underwater respiration monitoring and swimming instruction
DOI: 10.1016/j.apmt.2024.102165
