高性能纤维应变传感器，实现可穿戴设备的柔性化、舒适化、便携化

智能穿戴设备在健康领域应用广泛，纤维传感器具有高柔性和易编织等特点，有望与可穿戴技术结合开发智能织物，实现可穿戴设备的柔性化、舒适化、便携化。然而，纤维材料/器件具有尺寸小、表面弯曲等特点，如何有效地在其表面负载功能材料一直是高性能纤维器件发展中面临的重要问题。  

近期，东华大学朱美芳院士、潘绍武研究员与复旦大学彭慧胜院士等，通过在纤维表面原位反应锚定力敏材料，构建高性能纤维应变传感器。原位反应制备的力敏材料与纤维基底形成强界面，且具有高的力敏感特性，从而大幅提升应变传感器的综合性能。纤维应变传感器具有433.6的灵敏系数、0.05%的低应变检测限和100%应变检测范围，实现生理信号的实时监测，在智慧医疗领域展现出良好的应用前景。

与传统纤维应变传感器采用共混复合或表面物理负载制备策略不同，该工作通过水解缩合反应，将导电敏感层锚定在弹性纤维表面；这种锚定的敏感层与纤维基底形成强界面结合，且具有高力敏感特性，从而确保传感器具有高灵敏度和优异的循环稳定性。  

纤维应变传感器的结构和机理

脉搏波信号是人体重要的生理信号，其中包含心率、血压、血管老化等多种健康信息。脉搏测量是一种无创评估心脏健康的方法。例如，臂-踝脉搏波速度（baPWV）可用于评估动脉硬化程度。该工作采用高灵敏度的纤维应变传感器可持续地测量人体手腕桡动脉波形，能清晰地分辨桡动脉脉搏波的冲击波（P波）、潮汐波（T波）和舒张波（D波）特征信号。通过两个纤维传感器分别同时记录臂动脉和踝动脉波形，可计算得到baPWV值，与商业医疗设备测量值具有良好的一致性。

纤维应变传感器测量人体脉搏波信号

得益于纤维传感器具有高柔性、微型化等特点，可将其编织到衣物中。通过侦测呼吸过程中腹部形变引起传感信号的变化，结合无线数据传输与处理分析等技术，实现对人体呼吸状态的实时无线监测。当佩戴者呼吸处于正常平稳状态时，用户手机终端会显示为正常信息。然而，当呼吸状态异常时，传感信号的幅度下降并降至阈值以下，手机终端则显示非正常状态，并触发警报以寻求进一步的医疗护理，这种技术有望应用于可穿戴智慧医疗领域。

基于纤维应变传感器的可穿戴健康监测

该工作以 “In-situ forming ultra-mechanically sensitive materials for high-sensitivitystretchable fiber strain sensors” 为题发表于NationalScience Review期刊。东华大学材料科学与工程学院博士研究生余柔会为论文第一作者，东华大学朱美芳院士、潘绍武研究员，复旦大学彭慧胜院士为论文共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金等项目的支持。

论文链接： https://doi.org/10.1093/nsr/nwae158   

 

审核编辑：刘清