西安工程大学刘呈坤教授团队AFMs：适用于人体运动监测的具有出色机械灵敏度的DNA样双螺旋褶皱柔性纤维传感器

　　作为(wei)智能可穿戴设备的(de)(de)关(guan)键(jian)部(bu)件(jian)(jian)，柔性机(ji)械(xie)(xie)传(chuan)(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)在(zai)许多(duo)应(ying)(ying)用领(ling)域越来越受到关(guan)注，包括(kuo)医疗保健、电(dian)(dian)(dian)子皮肤和(he)人机(ji)交互。作为(wei)传(chuan)(chuan)(chuan)感元(yuan)件(jian)(jian)，这些传(chuan)(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)主(zhu)要利用由导电(dian)(dian)(dian)材料设计和(he)制(zhi)造的(de)(de)导电(dian)(dian)(dian)层(ceng)。为(wei)了实(shi)现传(chuan)(chuan)(chuan)感功能，由压力和(he)应(ying)(ying)变(bian)触(chu)发的(de)(de)机(ji)械(xie)(xie)变(bian)形通(tong)过物理效(xiao)应(ying)(ying)转换为(wei)电(dian)(dian)(dian)信号。传(chuan)(chuan)(chuan)感路径主(zhu)要包括(kuo)电(dian)(dian)(dian)阻、电(dian)(dian)(dian)容、压电(dian)(dian)(dian)、摩擦电(dian)(dian)(dian)等类型(xing)的(de)(de)效(xiao)应(ying)(ying)。卓(zhuo)越的(de)(de)机(ji)械(xie)(xie)传(chuan)(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)具有(you)卓(zhuo)越的(de)(de)灵(ling)敏(min)度、出(chu)色的(de)(de)拉伸性、快(kuai)速的(de)(de)恢复时间和(he)出(chu)色的(de)(de)循(xun)环稳定性。目(mu)前，通(tong)过将(jiang)各种(zhong)导电(dian)(dian)(dian)材料与柔性基(ji)板集成并设计具有(you)特定结构的(de)(de)传(chuan)(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)，人们正在(zai)进行(xing)广泛的(de)(de)研究工(gong)作，以提高传(chuan)(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)的(de)(de)这些功能。许多(duo)类型(xing)的(de)(de)导电(dian)(dian)(dian)材料已被证明(ming)适用于此目(mu)的(de)(de)。然而，开发能够同时检测(ce)应(ying)(ying)变(bian)和(he)压力的(de)(de)高灵(ling)敏(min)度、柔性机(ji)械(xie)(xie)传(chuan)(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)仍(reng)然是一项重大挑(tiao)战。

　　近日，西安工程大学刘呈坤教授团队提出了一种基于 AgNPs/MWCNTsCOOH/PDA/PU/PVB 纳米纤维包覆纱（AMPPPNY）的柔性机械传感器，具有类似 DNA 的双螺旋褶皱结构。该传感器的制造方法是将聚乙烯醇缩丁醛（PVB）电喷涂到预拉伸的双螺旋弹性纱线上，然后静电纺丝聚氨酯（PU）纳米纤维膜，并诱导多巴胺（DA）自聚合以形成粘合层。然后，将一维羧化多壁碳纳米管（MWCNTs-COOH）和零维银纳米颗粒（AgNPs）分散到结构上，协同形成稳定的导电网络，实现高效的信号传输。不同尺寸的导电填料和类似 DNA 的双螺旋褶皱结构的集成使传感器在 0-310% 的应变范围内具有高应变灵敏度（标量系数为 11,977），在 0-2 kPa 的压力范围内具有高压力灵敏度（0.475 kPa-1）。此外，制造的传感器具有快速响应和恢复时间（130 ms/135 ms）和出色的循环稳定性（超过 10,000 次应变和压力循环）。接下来，将纤维传感器编织成大面积织物，开发的智能纺织品在检测细微和大型人体运动方面表现出令人印象深刻的性能。所提出的传感器是柔性可穿戴应用的有前途的候选者。相关成果以“DNA‐Like Double‐Helix Wrinkled Flexible Fibrous Sensor with Excellent Mechanical Sensibility for Human Motion Monitoring”为题，发表在《Advanced Fiber Materials》(期刊号：Adv. Fiber Mater. (2025).  IF=17.2)上。
原文链接：//doi.org/10.1007/s42765-025-00560-7

图(tu)1. 制造的柔性机械传感器系(xi)统(tong)的示意图(tu)。a DNA 样 AMPPPNY 传感器的制备过程。b PDA 形成机制

图(tu)2. DNA 样双螺旋褶皱结构的表(biao)(biao)(biao)征。示(shi)意图(tu)表(biao)(biao)(biao)示(shi)。b，c 光学(xue)图(tu)像(xiang)。d SEM 图(tu)像(xiang)。e 2D 平面(mian)图(tu)形(xing)。f 3D 表(biao)(biao)(biao)面(mian)形(xing)态(tai)图(tu)形(xing)。g 水(shui)平和高(gao)度(du)分布关系

图(tu)(tu)3. 纳米纤维的(de)性能表征。a 纯 PU 纳米纤维膜的(de) SEM 图(tu)(tu)像和(he)直径分布。b PPPNY 的(de) SEM 图(tu)(tu)像。c MPPPNY。d SEM 图(tu)(tu)像和(he) e，f AMPPPNY 的(de)元素映射(she)。g FTIR 光(guang)谱。h 应力-应变曲(qu)线（拉伸试验中 DNA 样 AMPPPNY（每(mei)10厘(li)米150次扭曲(qu)）的(de)插图(tu)(tu)照(zhao)片(pian)）。i 电(dian)导率(lv)（DNA 样 AMPPPNY 的(de)插图(tu)(tu)照(zhao)片(pian)，其形式(shi)为(wei)为(wei) LED 供电(dian)的(de)电(dian)线）

图5. 不同(tong)(tong)结构机(ji)械(xie)传感器的电(dian)气和机(ji)械(xie)迟滞。a 机(ji)械(xie)迟滞量化图示；b 平面和 c 类(lei) DNA AMPPPNY 传感器在10%和30%应变下(xia)的机(ji)械(xie)迟滞。d 平面和 e 类(lei) DNA AMPPPNY 传感器在分别(bie)在10%和30%应变下(xia)的电(dian)气迟滞。f 不同(tong)(tong)结构的电(dian)气和机(ji)械(xie)迟滞比较

图(tu)6. 类 DNA AMPPPNY 传(chuan)感(gan)器的(de)压力(li)传(chuan)感(gan)性(xing)能。a 测试系统和(he)(he)实验设(she)置。b 工作原理和(he)(he)等效电(dian)路。c 压力(li)敏感(gan)。d 压力(li)敏感(gan)性(xing)与文献中(zhong)报道的(de)其他(ta)传(chuan)感(gan)器的(de)比较。e I-V 曲(qu)线。f 不同压力(li)条件下的(de)相(xiang)(xiang)对阻(zu)(zu)力(li)响应(ying)。g 在1.0 kPa 的(de)施加压力(li)下10,000 次循环(huan)下的(de)相(xiang)(xiang)对电(dian)阻(zu)(zu)响应(ying)（插图(tu)显示(shi)了(le)3000-3003 次循环(huan)和(he)(he)6000-6003 次循环(huan)时的(de)相(xiang)(xiang)对电(dian)阻(zu)(zu)响应(ying)图(tu)）

图7. 机械传感器在人(ren)体运(yun)动中(zhong)的传感应用。a 手(shou)指按压。b 手(shou)指弯(wan)曲(qu)。c 弯(wan)肘。d 手(shou)腕弯(wan)曲(qu)。e 膝(xi)盖(gai)弯(wan)曲(qu)。f 行(xing)走。g 传感器在人(ren)体运(yun)动监(jian)测(ce)中(zhong)的应用

结论

　　在(zai)这项研(yan)究中(zhong)(zhong)，报道了一种(zhong)具(ju)有(you)(you) DNA 样双(shuang)螺旋褶皱(zhou)结构(gou)的(de)(de)(de)柔性(xing)机械传(chuan)感(gan)器(qi)(qi)，它表(biao)(biao)(biao)现(xian)(xian)出高拉(la)伸(shen)性(xing)和(he)(he)灵(ling)敏(min)(min)度(du)(du)。通(tong)过(guo)(guo)将 PVB 电(dian)(dian)喷涂到预拉(la)伸(shen)的(de)(de)(de)双(shuang)螺旋弹性(xing)纱线(xian)上，然(ran)后(hou)静电(dian)(dian)纺(fang)丝 PU 纳米纤维膜来制造类(lei)似(si) DNA 的(de)(de)(de) AMPPPNY 传(chuan)感(gan)器(qi)(qi)。随后(hou)，PDA 、 MWCNTs-COOH 和(he)(he) AgNPs 分(fen)别(bie)通(tong)过(guo)(guo)自聚(ju)合、超声和(he)(he)还原反应(ying)(ying)依次(ci)加载。最后(hou)，将 PDMS 涂布在(zai)表(biao)(biao)(biao)面(mian)以进行保护(hu)。本研(yan)究证(zheng)实，不(bu)同维度(du)(du)导电(dian)(dian)材料的(de)(de)(de)协同作用(yong)有(you)(you)助于(yu)更多的(de)(de)(de)导电(dian)(dian)途(tu)径和(he)(he)稳定导电(dian)(dian)网络的(de)(de)(de)产生。此外，该(gai)传(chuan)感(gan)器(qi)(qi)具(ju)有(you)(you)很高的(de)(de)(de)应(ying)(ying)变灵(ling)敏(min)(min)度(du)(du)，在(zai) 200–310% 的(de)(de)(de)应(ying)(ying)变范(fan)(fan)围内 GF 为(wei) 11,977。当应(ying)(ying)变范(fan)(fan)围为(wei) 0–310% 时;观(guan)察(cha)到 135 ms 的(de)(de)(de)快速应(ying)(ying)变恢复(fu)时间(jian)，而 0-2 kPa 范(fan)(fan)围内的(de)(de)(de)压力(li)敏(min)(min)感(gan)性(xing)为(wei) 0.475 kPa-1。由(you)于(yu)类(lei)似(si) DNA 的(de)(de)(de)双(shuang)螺旋皱(zhou)皱(zhou)结构(gou)赋予了丰(feng)富(fu)的(de)(de)(de)导电(dian)(dian)通(tong)路(lu)和(he)(he)高拉(la)伸(shen)恢复(fu)能力(li)，该(gai)传(chuan)感(gan)器(qi)(qi)还表(biao)(biao)(biao)现(xian)(xian)出出色(se)的(de)(de)(de)循(xun)环(huan)稳定性(xing)，应(ying)(ying)变和(he)(he)压力(li)测(ce)试(shi)均(jun)超过(guo)(guo) 10,000 次(ci)循(xun)环(huan)。关于(yu)大面(mian)积(ji)传(chuan)感(gan)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)固(gu)有(you)(you)灵(ling)活性(xing)，它在(zai)人体运动(dong)监测(ce)实验(yan)中(zhong)(zhong)表(biao)(biao)(biao)现(xian)(xian)异常(chang)出色(se)，表(biao)(biao)(biao)明它在(zai)可穿戴应(ying)(ying)用(yong)中(zhong)(zhong)具(ju)有(you)(you)重要前景。

（来源|今日纺丝）