用于穿戴式和植入式健康監測的柔性應變傳感器

柔性纖維狀應變傳感器憑借其與日常服裝的兼容性，在穿戴式健康監測和人機交互方面顯示出巨大的潛力。然而，用于制造纖維狀應變傳感器的傳統制造方法（包括順序涂層和溶液擠出）獲得的導電敏感材料的可拉伸性有限，導致有限的拉伸范圍和潛在的界面分層。

據麥姆斯咨詢報道，近日，天津大學栗大超教授研究團隊采用墨水直寫（DIW）技術制造了一種纖維狀柔性電容式應變傳感器（FSFCSS）。通過這項技術，研究人員在熱塑性聚氨酯（TPU）管纖維表面印刷平行的螺旋銀（Ag）電極，并用高介電材料BaTiO?@Ecoflex（BTO@Ecoflex）封裝，賦予了FSFCSS優異的雙模傳感性能。FSFCSS可以感知雙模應變，即軸向拉伸應變和徑向膨脹應變。FSFCSS與便攜式數據采集電路板相結合，可用于在穿戴式無線傳感系統中采集生理信號和人機交互。

此外，研究人員還展示了一種概念性的植入式無線血液動力學傳感器。相關研究成果以“A dual-mode fiber-shaped flexible capacitive strain sensor fabricated by direct ink writing technology for wearable and implantable health monitoring applications”為題發表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

FSFCSS具有三層結構，即彈性TPU纖維、平行螺旋Ag電極和BTO@Ecoflex封裝層。制備過程如下：首先通過等離子體和表面活性劑對TPU纖維進行處理以獲得親水表面，使用固定在同步電機上的JTO夾具來固定TPU纖維并為其提供旋轉運動，氣動噴嘴以線性運動將Ag油墨印刷到TPU纖維的表面，噴嘴的油墨擠出速度由氣動閥獨立控制。通過DIW打印技術制備的FSFCSS表現出優異的拉伸和導電性能。除了纖維結構和定制其結構參數的能力外，SFSCSS還適合用作穿戴式和植入式應用的電容式應變傳感器。

FSFCSS的制備與表征

FSFCSS作為一種電容式傳感器，可以有兩種工作模式，即軸向拉伸應變傳感模式和徑向膨脹應變傳感模式。對于軸向拉伸應變傳感模式，FSFCSS表現出優異的性能，包括寬檢測范圍（178%）、優異的靈敏度（0.924）、低檢測限（0.6%）、快速響應和恢復時間（117和156?ms）、低遲滯系數（1.44%）和優異的機械穩定性。對于徑向膨脹應變傳感模式，FSFCSS表現出對動態和脈沖壓力變化的良好響應，具有0.00086?mmHg?1的高靈敏度。

FSFCSS的工作機制

為了評估FSFCSS的實際性能，研究人員使用3M醫用膠帶將FSFCSS固定在人體各部位的皮膚表面，包括腹部、胸部、手腕、喉嚨、膝蓋和手指。下圖為FSFCSS應用于人體不同部位的電容響應曲線，表明FSFCSS可以清晰地捕捉聲音、呼吸、心率、脈搏等生理信號。由于FSFCSS的超高靈敏度，記錄的電容響應曲線包含了豐富的生理信息。在大數據時代，利用FSFCSS對人體生理健康信號進行持續實時采集和分析，有助于呼吸系統和心血管疾病的預防和診斷，以及語音交互應用的發展。

FSFCSS在穿戴式健康監測中的應用

此外，研究人員通過將FSFCSS與印刷單螺旋射頻（RF）線圈連接，開發了一種無線血液動力學傳感器，并證明了該傳感器用于植入式血液動力學監測的可行性。

FSFCSS在血液動力學監測中的應用

總而言之，研究人員使用高精度DIW打印裝置成功地在TPU纖維襯底上制造了雙模FSFCSS。全面分析了傳感器在軸向拉伸應變傳感和徑向膨脹應變傳感模式下的工作機理。研究人員從監測人體生理信號、實時采集人體姿勢信息、人機交互應用等幾個角度探討了FSFCSS在穿戴式健康監測領域的應用。為了測量血壓和心率，FSFCSS與印刷RF線圈串聯，以制造無線血液動力學傳感器。這項工作不僅介紹了一種制造纖維狀電容式應變傳感器的新方法，而且有助于穿戴式和植入式健康監測的研究和發展。

審核編輯：劉清