成果简介

同时可拉伸和可压缩的柔性应变传感器在包括可穿戴领域在内的许多先进应用中是非常受欢迎的。然而，制造这种具有广泛感应范围的双重功能的传感器仍然是一个挑战。本文，复旦大学冯嘉春课题组在《ACS Appl. Nano Mater》期刊发表“Simultaneously Stretchable and Compressible Flexible Strain Sensors Based on Carbon Nanotube Composites for Motion Monitoring and Human–Computer Interactions”的论文，研究通过在基于碳纳米管和聚（苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯）（SEBS）的高拉伸弹性复合材料中巧妙地引入定向孔，并采用环己烷作为冻干溶剂，制造了一种可同时拉伸和可压缩的泡沫应变传感器。

SEBS的高拉伸性和孔隙带来的丰富的可压缩空间赋予了由此产生的柔性泡沫传感器同时具有高拉伸性（250%）和压缩性（-50%）的特性。由于出色的柔性特征，该泡沫传感器能够同时监测多种人体运动，如双向的手腕弯曲、膝盖弯曲、脚步声等。泡沫传感器可以将人的手势信号加密为电信号并传输给机器，实现人机交互，这可以大大拓宽柔性应变传感器在智能传感领域的应用前景。

图文导读

图1、 SEBS制造工艺示意图/CNTs@CNT泡沫传感器

图2.（a-d）SEBS/CNT泡沫、SEBS泡沫和SEBS的断裂表面SEM显微照片/CNTs@CNT泡沫传感器。

（e） SEBS泡沫、SEBS/CNT泡沫和SEBS的应力-应变曲线/CNTs@CNT泡沫传感器。

（f） SEBS/CNT泡沫和SEBS的电阻/CNTs@CNT泡沫传感器以及它们在拉伸100%后的电阻。

（g-h）SEBS/CNT泡沫和SEBS的电阻变化率/CNTs@CNT在拉伸100%的过程中。

图3.（a1）SEBS/CNTs@CNT（a2）拉伸至500%，然后（a3）压缩至−50%. SEBS公司/CNTs@CNT（b1）制成圆盘状薄片样品，（b2）卷起，（b3）揉成随机形状。SEBS公司/CNTs@CNT（c1）扭曲两次，（c2）剪成小猫的形状，（c3）圣诞树。

图4.（a）在不同的拉伸应变下SEBS/CNTs@CNTs的电气-机械曲线。（b） 100%拉伸应变下150次循环的电气-机械曲线。（c） 不同拉伸速率下100%拉伸应变下的电气-机械曲线。（d） ΔR/R0–SEBS的应变曲线/CNTs@CNTs.（e）初始SEBS示意图/CNTs@CNT并且其拉伸100%。

图5.（a-b）在不同的压缩应变下SEBS/CNTs@CNTs的电气-机械曲线。（c） ΔR/R0–SEBS/CNTs@CNTs的应变曲线.（d）初始与压缩后SEBS/CNTs@CNT的示意图 （e） SEBS/CNTs@CNTs的传感应变比较图

图6. 用一个SEBS/CNTs@CNT传感器测量的（a）手指弯曲，（b）膝盖弯曲，（c）脚，（d）手腕弯曲，（e）手腕压缩，和（f）肘部弯曲的实时感应信号。

图6、用于人机交互应用的图示

小结

综上所述，通过对CNTs/SEBS的环己烷溶液进行定向冷冻干燥，并在其表面镀上CNTs，制备了一种可同时拉伸和压缩的柔性泡沫应变传感器。获得的传感器（SEBS/CNTs@CNTs）拥有优良的弹性以及丰富的高方向性的孔隙结构，这使得SEBS/CNTs@CNTs可以方便地变形，在同一样品中同时实现稳定的拉伸传感（250%）和压缩传感（-50%）。另一种不同形状的SEBS/CNTs@CNT泡沫传感器甚至在800%的超高应变下实现了稳定的周期性信号输出，这有利于要求传感器可拉伸和压缩的应用，尤其是高度可拉伸的应用。

由于SEBS/CNTs@CNT在大范围传感中具有良好的柔韧性和稳定的电气机械性能，它被用于监测人体的各种弯曲、拉伸和压缩运动，在医疗保健和运动实时监测领域表现出巨大的可穿戴设备潜力。此外，SEBS/CNTs@CNTs可以将不同的人体手势信号加密成信息并传输给计算机，方便地实现人机交互，这拓宽了柔性应变传感器在智能应用领域的途径。

文献：

https://doi.org/10.1021/acsanm.2c04267