成果簡介
同時可拉伸和可壓縮的柔性應變傳感器在包括可穿戴領域在內的許多先進應用中是非常受歡迎的。然而，製造這種具有廣泛感應範圍的雙重功能的傳感器仍然是一個挑戰。本文，復旦大學馮嘉春課題組在《ACS Appl. Nano Mater》期刊發表「Simultaneously Stretchable and Compressible Flexible Strain Sensors Based on Carbon Nanotube Composites for Motion Monitoring and Human–Computer Interactions」的論文，研究通過在基於碳納米管和聚（苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯）（SEBS）的高拉伸彈性複合材料中巧妙地引入定向孔，並採用環己烷作為凍干溶劑，製造了一種可同時拉伸和可壓縮的泡沫應變傳感器。
SEBS的高拉伸性和孔隙帶來的豐富的可壓縮空間賦予了由此產生的柔性泡沫傳感器同時具有高拉伸性（250%）和壓縮性（-50%）的特性。由於出色的柔性特徵，該泡沫傳感器能夠同時監測多種人體運動，如雙向的手腕彎曲、膝蓋彎曲、腳步聲等。泡沫傳感器可以將人的手勢信號加密為電信號並傳輸給機器，實現人機互動，這可以大大拓寬柔性應變傳感器在智能傳感領域的應用前景。
圖文導讀
圖1、 SEBS製造工藝示意圖/CNTs@CNT泡沫傳感器
圖2.（a-d）SEBS/CNT泡沫、SEBS泡沫和SEBS的斷裂表面SEM顯微照片/CNTs@CNT泡沫傳感器。
（e） SEBS泡沫、SEBS/CNT泡沫和SEBS的應力-應變曲線/CNTs@CNT泡沫傳感器。
（f） SEBS/CNT泡沫和SEBS的電阻/CNTs@CNT泡沫傳感器以及它們在拉伸100%後的電阻。
（g-h）SEBS/CNT泡沫和SEBS的電阻變化率/CNTs@CNT在拉伸100%的過程中。
圖3.（a1）SEBS/CNTs@CNT（a2）拉伸至500%，然後（a3）壓縮至−50%. SEBS公司/CNTs@CNT（b1）製成圓盤狀薄片樣品，（b2）捲起，（b3）揉成隨機形狀。SEBS公司/CNTs@CNT（c1）扭曲兩次，（c2）剪成小貓的形狀，（c3）聖誕樹。
圖4.（a）在不同的拉伸應變下SEBS/CNTs@CNTs的電氣-機械曲線。（b） 100%拉伸應變下150次循環的電氣-機械曲線。（c） 不同拉伸速率下100%拉伸應變下的電氣-機械曲線。（d） ΔR/R0–SEBS的應變曲線/CNTs@CNTs.（e）初始SEBS示意圖/CNTs@CNT並且其拉伸100%。
圖5.（a-b）在不同的壓縮應變下SEBS/CNTs@CNTs的電氣-機械曲線。（c） ΔR/R0–SEBS/CNTs@CNTs的應變曲線.（d）初始與壓縮後SEBS/CNTs@CNT的示意圖 （e） SEBS/CNTs@CNTs的傳感應變比較圖
圖6. 用一個SEBS/CNTs@CNT傳感器測量的（a）手指彎曲，（b）膝蓋彎曲，（c）腳，（d）手腕彎曲，（e）手腕壓縮，和（f）肘部彎曲的實時感應信號。
圖6、用於人機互動應用的圖示
小結
綜上所述，通過對CNTs/SEBS的環己烷溶液進行定向冷凍乾燥，並在其表面鍍上CNTs，製備了一種可同時拉伸和壓縮的柔性泡沫應變傳感器。獲得的傳感器（SEBS/CNTs@CNTs）擁有優良的彈性以及豐富的高方向性的孔隙結構，這使得SEBS/CNTs@CNTs可以方便地變形，在同一樣品中同時實現穩定的拉伸傳感（250%）和壓縮傳感（-50%）。另一種不同形狀的SEBS/CNTs@CNT泡沫傳感器甚至在800%的超高應變下實現了穩定的周期性信號輸出，這有利於要求傳感器可拉伸和壓縮的應用，尤其是高度可拉伸的應用。
由於SEBS/CNTs@CNT在大範圍傳感中具有良好的柔韌性和穩定的電氣機械性能，它被用於監測人體的各種彎曲、拉伸和壓縮運動，在醫療保健和運動實時監測領域表現出巨大的可穿戴設備潛力。此外，SEBS/CNTs@CNTs可以將不同的人體手勢信號加密成信息並傳輸給計算機，方便地實現人機互動，這拓寬了柔性應變傳感器在智能應用領域的途徑。
文獻：
https://doi.org/10.1021/acsanm.2c04267