西安工程大學劉呈坤教授團隊AFMs：適用于人體運動監測的具有出色機械靈敏度的DNA樣雙螺旋褶皺柔性纖維傳感器

 　　作為智能可穿戴設備的關鍵部件，柔性機械傳感器在許多應用領域越來越受到關注，包括醫療保健、電子皮膚和人機交互。作為傳感元件，這些傳感器主要利用由導電材料設計和制造的導電層。為了實現傳感功能，由壓力和應變觸發的機械變形通過物理效應轉換為電信號。傳感路徑主要包括電阻、電容、壓電、摩擦電等類型的效應。卓越的機械傳感器具有卓越的靈敏度、出色的拉伸性、快速的恢復時間和出色的循環穩定性。目前，通過將各種導電材料與柔性基板集成并設計具有特定結構的傳感器，人們正在進行廣泛的研究工作，以提高傳感器的這些功能。許多類型的導電材料已被證明適用于此目的。然而，開發能夠同時檢測應變和壓力的高靈敏度、柔性機械傳感器仍然是一項重大挑戰。

　　近日，西安工程大學劉呈坤教授團隊提出了一種基于 AgNPs/MWCNTsCOOH/PDA/PU/PVB 納米纖維包覆紗（AMPPPNY）的柔性機械傳感器，具有類似 DNA 的雙螺旋褶皺結構。該傳感器的制造方法是將聚乙烯醇縮丁醛（PVB）電噴涂到預拉伸的雙螺旋彈性紗線上，然后靜電紡絲聚氨酯（PU）納米纖維膜，并誘導多巴胺（DA）自聚合以形成粘合層。然后，將一維羧化多壁碳納米管（MWCNTs-COOH）和零維銀納米顆粒（AgNPs）分散到結構上，協同形成穩定的導電網絡，實現高效的信號傳輸。不同尺寸的導電填料和類似 DNA 的雙螺旋褶皺結構的集成使傳感器在 0-310% 的應變范圍內具有高應變靈敏度（標量系數為 11,977），在 0-2 kPa 的壓力范圍內具有高壓力靈敏度（0.475 kPa-1）。此外，制造的傳感器具有快速響應和恢復時間（130 ms/135 ms）和出色的循環穩定性（超過 10,000 次應變和壓力循環）。接下來，將纖維傳感器編織成大面積織物，開發的智能紡織品在檢測細微和大型人體運動方面表現出令人印象深刻的性能。所提出的傳感器是柔性可穿戴應用的有前途的候選者。相關成果以“DNA‐Like Double‐Helix Wrinkled Flexible Fibrous Sensor with Excellent Mechanical Sensibility for Human Motion Monitoring”為題，發表在《Advanced Fiber Materials》(期刊號：Adv. Fiber Mater. (2025).  IF=17.2)上。
原文鏈接：//doi.org/10.1007/s42765-025-00560-7

 圖1. 制造的柔性機械傳感器系統的示意圖。a DNA 樣 AMPPPNY 傳感器的制備過程。b PDA 形成機制

 圖2. DNA 樣雙螺旋褶皺結構的表征。示意圖表示。b，c 光學圖像。d SEM 圖像。e 2D 平面圖形。f 3D 表面形態圖形。g 水平和高度分布關系

 圖3. 納米纖維的性能表征。a 純 PU 納米纖維膜的 SEM 圖像和直徑分布。b PPPNY 的 SEM 圖像。c MPPPNY。d SEM 圖像和 e，f AMPPPNY 的元素映射。g FTIR 光譜。h 應力-應變曲線（拉伸試驗中 DNA 樣 AMPPPNY（每10厘米150次扭曲）的插圖照片）。i 電導率（DNA 樣 AMPPPNY 的插圖照片，其形式為為 LED 供電的電線）

 圖5. 不同結構機械傳感器的電氣和機械遲滯。a 機械遲滯量化圖示；b 平面和 c 類 DNA AMPPPNY 傳感器在10%和30%應變下的機械遲滯。d 平面和 e 類 DNA AMPPPNY 傳感器在分別在10%和30%應變下的電氣遲滯。f 不同結構的電氣和機械遲滯比較

 圖6. 類 DNA AMPPPNY 傳感器的壓力傳感性能。a 測試系統和實驗設置。b 工作原理和等效電路。c 壓力敏感。d 壓力敏感性與文獻中報道的其他傳感器的比較。e I-V 曲線。f 不同壓力條件下的相對阻力響應。g 在1.0 kPa 的施加壓力下10,000 次循環下的相對電阻響應（插圖顯示了3000-3003 次循環和6000-6003 次循環時的相對電阻響應圖）

 圖7. 機械傳感器在人體運動中的傳感應用。a 手指按壓。b 手指彎曲。c 彎肘。d 手腕彎曲。e 膝蓋彎曲。f 行走。g 傳感器在人體運動監測中的應用

結論

 　　在這項研究中，報道了一種具有 DNA 樣雙螺旋褶皺結構的柔性機械傳感器，它表現出高拉伸性和靈敏度。通過將 PVB 電噴涂到預拉伸的雙螺旋彈性紗線上，然后靜電紡絲 PU 納米纖維膜來制造類似 DNA 的 AMPPPNY 傳感器。隨后，PDA 、 MWCNTs-COOH 和 AgNPs 分別通過自聚合、超聲和還原反應依次加載。最后，將 PDMS 涂布在表面以進行保護。本研究證實，不同維度導電材料的協同作用有助于更多的導電途徑和穩定導電網絡的產生。此外，該傳感器具有很高的應變靈敏度，在 200–310% 的應變范圍內 GF 為 11,977。當應變范圍為 0–310% 時;觀察到 135 ms 的快速應變恢復時間，而 0-2 kPa 范圍內的壓力敏感性為 0.475 kPa-1。由于類似 DNA 的雙螺旋皺皺結構賦予了豐富的導電通路和高拉伸恢復能力，該傳感器還表現出出色的循環穩定性，應變和壓力測試均超過 10,000 次循環。關于大面積傳感器的固有靈活性，它在人體運動監測實驗中表現異常出色，表明它在可穿戴應用中具有重要前景。

（來源|今日紡絲）