共同第一作者：游馨、黎相遠(yuǎn)、劉賢哲
共同通訊作者：劉賢哲、黃愛(ài)萍、羅堅(jiān)義
背景介紹及內(nèi)容概述
柔性彎曲應(yīng)變傳感器因其高穩(wěn)定性和高靈敏度，被認(rèn)為在可穿戴健康監(jiān)測(cè)和人機(jī)交互領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，高靈敏度與穩(wěn)定大角度傳感能力之間的平衡仍然是當(dāng)前主要瓶頸，嚴(yán)重阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。為突破此瓶頸，大量已發(fā)表的研究主要集中于空間和平面微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。然而，空間微結(jié)構(gòu)的不可預(yù)測(cè)性、隨機(jī)分布性及尺寸變化會(huì)導(dǎo)致批次間性能差異顯著，這不僅嚴(yán)重阻礙了其定制化應(yīng)用，而且使得彎曲傳感器的性能難以調(diào)控。因此，在保持大彎曲角度穩(wěn)定識(shí)別的同時(shí)提升平面微結(jié)構(gòu)的靈敏度，仍是當(dāng)前面臨的重大挑戰(zhàn)。
近日，五邑大學(xué)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、劉賢哲副教授團(tuán)隊(duì)提出了一種協(xié)同材料-結(jié)構(gòu)工程策略以提升彎曲傳感性能。該策略主要包括兩個(gè)核心部分：一是自主研發(fā)的具有優(yōu)異印刷性的碳基導(dǎo)電顆粒墨水；二是經(jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)優(yōu)化的傳感層結(jié)構(gòu)。通過(guò)電流體動(dòng)力學(xué)印刷技術(shù)將二者結(jié)合，成功制備出高穩(wěn)健性的柔性彎曲應(yīng)變傳感器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所制備的傳感器在彎曲變形下表現(xiàn)出卓越的機(jī)電響應(yīng)性，包括寬工作范圍（10°–150°）、高靈敏度（GF = 50.74）、快速響應(yīng)、低遲滯以及優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，該傳感器能精準(zhǔn)捕捉從細(xì)微頸動(dòng)脈搏動(dòng)到大幅度肘部屈曲等多種生理信號(hào)。此外，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了一種可穿戴手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)，通過(guò)集成印刷柔性彎曲應(yīng)變傳感器陣列，實(shí)現(xiàn)了高精度手勢(shì)識(shí)別，并成功應(yīng)用于無(wú)人機(jī)的虛擬飛行控制。上述成果表明，該研究所提出的印刷傳感器為實(shí)現(xiàn)靈敏度與角度識(shí)別性能的良好平衡提供了一種具有前景的解決方法，有望推動(dòng)柔性電子技術(shù)在智能人機(jī)交互領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。
本工作以“Synergistic material-structural engineering for preparing high-performance, flexible bending strain sensors via electrohydrodynamic direct writing ”為題，發(fā)表在Science China-Technological Sciences上。
論文具體內(nèi)容：
圖1（a）彎曲應(yīng)變傳感器生理信號(hào)監(jiān)測(cè)示意圖；（b）噴墨印刷柔性彎曲應(yīng)變傳感器示意圖
圖2 不同固化條件下CFP液滴的分布情況：（a）液滴法示意圖，（b）固化溫度，（c）固化時(shí)間；有/無(wú)表面活性劑CFP的印刷線(xiàn)對(duì)比：（d）抑制“咖啡環(huán)效應(yīng)”示意圖，（e）表面輪廓，（f）表面形貌，（g）電導(dǎo)率
圖3 SCFP -3墨水的表征與性能：（a）粒徑分布，（b）CFP填料的TEM圖像，（c）粘度隨剪切速率變化的曲線(xiàn)，（d）有/無(wú)O2等離子體處理柔性基板的墨水接觸角，（e）直寫(xiě)印刷液橋的形成過(guò)程，（f）印刷線(xiàn)寬隨電場(chǎng)強(qiáng)度的變化，（g）印刷線(xiàn)寬和電阻隨印刷速度的變化，（h）印刷線(xiàn)寬、電阻和厚度隨印刷次數(shù)的變化，（i）印刷線(xiàn)不同區(qū)域橫截面的SEM圖像
圖4 （a）同一應(yīng)變條件下不同傳感層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力模擬:（i）無(wú)圖案結(jié)構(gòu)，（ii）網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，（iii）蛇形結(jié)構(gòu)，（iv）負(fù)泊松比菱形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；（b）外彎0°、30°、60°、90°、120°和150°的電阻響應(yīng)曲線(xiàn)
圖5 5-NPR-L傳感器的性能表征：（a）NPR-L與5-NPR-L傳感器0°-150°彎曲電阻變化率對(duì)比，（b）0°-150°彎曲遲滯曲線(xiàn)，（c）寬角度范圍內(nèi)的相對(duì)電阻響應(yīng)與GF，（d）最大彎曲角度下的電阻響應(yīng)與近期報(bào)道的印刷彎曲應(yīng)變傳感器對(duì)比，（e）不同彎曲速率下90°彎曲的電阻響應(yīng)，（f）25 mm/s彎曲速率下的響應(yīng)時(shí)間，（g）25 mm/s彎曲速率下90°循環(huán)彎曲3000次的實(shí)時(shí)電阻變化
圖6 5-NPR-L傳感器在檢測(cè)多種人體運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用：（a）頸動(dòng)脈，（b）肌肉運(yùn)動(dòng)，（c）鼓氣，（d）吞咽；5-NPR-L傳感器在關(guān)節(jié)彎曲時(shí)的相對(duì)電阻變化：(e) 手指，(f) 頸椎，(g) 膝關(guān)節(jié)，(h) 手腕，(i) 肘關(guān)節(jié)
圖7 5-NPR-L彎曲應(yīng)變傳感手套在手勢(shì)監(jiān)測(cè)與人機(jī)交互中的應(yīng)用展示：（a）人機(jī)交互系統(tǒng)的示意圖，（b）便攜式數(shù)據(jù)采集板實(shí)拍圖，（c）數(shù)據(jù)傳輸示意圖，（d）彎曲應(yīng)變傳感手套實(shí)拍圖，(e) 傳感手套操控?zé)o人機(jī)飛行示意圖
總結(jié)與展望
本研究提出了一種高效可行的方法，通過(guò)材料-結(jié)構(gòu)協(xié)同工程策略制備高性能、柔性印刷彎曲應(yīng)變傳感器。通過(guò)使用未經(jīng)表面功能化處理的自制亞微米導(dǎo)電CFP填料，獲得了具有穩(wěn)定分散性的顆粒墨水體系。采用 EHD 直寫(xiě)技術(shù)制備了高性能、柔性彎曲應(yīng)變傳感器。通過(guò)理論模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出了一種特定的NPR-L網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，用于在大彎曲變形下調(diào)節(jié)印刷傳感層中的應(yīng)力大小和分布。具有NPR-L網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的柔性印刷彎曲應(yīng)變傳感器表現(xiàn)出卓越的傳感性能，包括寬線(xiàn)性的彎曲角度范圍（10°–150°）、高靈敏度（GF=50.74）、快速響應(yīng)時(shí)間和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。該柔性NPR-L彎曲應(yīng)變傳感器憑借其卓越的適應(yīng)性，能夠準(zhǔn)確捕捉從細(xì)微的頸動(dòng)脈脈搏到大幅度肘部屈曲等一系列生理信號(hào)?；?/span>NPR-L彎曲應(yīng)變傳感陣列卓越的機(jī)電響應(yīng)性，開(kāi)發(fā)了一套智能手套系統(tǒng)，有助于準(zhǔn)確檢測(cè)手勢(shì)變化。此外，通過(guò)集成智能手套系統(tǒng)構(gòu)建了人機(jī)交互平臺(tái)，該平臺(tái)提供精確的手勢(shì)識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)飛行的精確操控。這些結(jié)果表明，印刷彎曲應(yīng)變傳感器為開(kāi)發(fā)人機(jī)交互提供了新的發(fā)展前景。
作者及團(tuán)隊(duì)介紹
共同第一作者：游馨，女，五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院2023級(jí)材料與化工專(zhuān)業(yè)碩士研究生。
共同第一作者：黎相遠(yuǎn)，男，五邑大學(xué)電子與信息工程學(xué)院2022級(jí)通信工程專(zhuān)業(yè)本科生。
共同第一作者：劉賢哲，男，五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院副教授。
共同通訊作者：劉賢哲，男，工學(xué)博士，副教授，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)目和面上項(xiàng)目）2項(xiàng)和廣東省普通高校特色創(chuàng)新項(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。
共同通訊作者：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、中國(guó)電子學(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)傳感材料（力學(xué)、氣體、磁場(chǎng)等）的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究。
共同通訊作者：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、氣體傳感和光電傳感等）；納米功能材料合成；智能調(diào)光變色材料與器件。
附文獻(xiàn)及DOI號(hào)
Synergistic material-structural engineering for preparing high-performance, flexible bending strain sensors via electrohydrodynamic direct writing
DOI：https://doi.org/10.1007/s11431-025-3142-x
