華中科技大學：研究通過裂紋調制電通路實現超高靈敏度和寬范圍的柔性應變傳感器

柔性電子產品的爆炸式發展給許多技術和生活領域帶來了重大變化，如可穿戴電子產品、飛機和機器人的智能電子皮膚、微空氣飛行器、高效的能量收集和存儲設備、人機交互技術和微型光電設備。電阻應變傳感器以其顯著的靈敏度和簡單的結構和讀出電路為特征，廣泛應用于可穿戴應變傳感設備中，用于人體運動信號監測，有助于精確檢測各種信號，包括關節運動、聲音、表情、呼吸和脈搏。為了在不影響正常人類活動的情況下獲取從弱脈沖信號到大應變關節運動信號的信號，需要具有高靈敏度和寬范圍的柔性應變傳感器。然而，增加設備的靈敏度可能會以減小其范圍為代價，反之亦然。這是因為增加靈敏度會加速電活性材料的耗盡，而增加范圍會減緩其耗盡。

為了提高應變傳感器的靈敏度，大量先前的研究報道了基于裂紋的電阻應變傳感器可以獲得高靈敏度。在拉伸過程中改變電極開裂率和裂紋形態是調節電阻應變傳感器響應的有效手段，這可以通過傳感器的結構設計和材料系統的更新來實現。為了進一步提高靈敏度，已經研究了各種結構設計，包括模仿蝎子和蜘蛛感覺功能的狹縫結構，以及具有負泊松比的超材料。盡管取得了這些進步，但這些高靈敏度傳感器的測量范圍仍然受到限制。為了適應更廣泛范圍的需求，研究人員研究了通過在裂紋材料下方分層二維材料來改變電活性材料在穿透裂紋中的行為的可能性。此外，有人提出引入褶皺或彎曲結構來減輕電活性材料的直接應力響應，從而減緩其耗散速率。然而，由于機械性能的差異，引入各種材料會增加傳感器故障的風險，褶皺和彎曲設計的復雜性可能會使制造過程復雜化，從而可能阻礙商業可行性。

液態金屬具有優異的拉伸和導電能力，在可拉伸電極領域有廣泛的應用，包括互連引線、自愈導體和應變傳感器。為了追求更寬的測量范圍，一些研究將重點從基于裂紋的應變傳感器轉移到液態金屬。以優異的拉伸性能為特征，可以避免材料系統內的應力失配，液態金屬基應變傳感器能夠達到超過500%的范圍。盡管如此，如此寬的范圍對于檢測人類菌株信號來說是過度的，通常低于99%，并且伴隨著靈敏度降低，難以捕捉微弱的信號，如脈沖。此外，液態金屬的優良導電性導致敏感單元中的基極電阻降低，放大了引線的應變響應，并可能在應變測量過程中引入大量無效信號。鑒于高靈敏度通常伴隨著有限的范圍，而更寬的范圍通常伴隨著較低的靈敏度，因此開發既高靈敏度又具有寬測量范圍的應變傳感器以用于人類應用仍然是一個重要的研究領域。

本研究從歷史文物竹簡中汲取靈感，竹簡由剛性條帶通過柔性線交織在一起組成，形成了一個有凝聚力和可滾動的實體。這種轉變使天然堅硬的竹子變成了更柔軟的形狀，賦予了它易于彎曲和卷曲的能力。竹簡的適應性增強，增加了它們的儲存能力，使它們易于直接歸檔和運輸。基于古老的竹滑構造技術，我們提出了一種方法，即沿著單個竹板的相對邊緣戰略性地放置軟線，有助于將其組裝成一個統一的結構。在這一概念的隱喻應用中，液態金屬在我們的研究中被用作“繩索"，以有效地“鎖定"可拉伸電極金屬層內的裂縫邊緣。邊緣鎖定液態金屬將分散的電碎片連接在一起，以恢復整體的平滑導電路徑。這種創新策略能夠將電氣路徑從平行于伸長軸的方向重新配置為垂直于伸長軸，從而動態修改導電網絡以響應機械變形。與通過改變傳感器的材料[或結構來改變電活性材料分散率的傳統策略不同，這項工作提出了一種改變已建立的電活性材料的裂解電通路的新策略，該策略能夠有效地調節柔性電阻應變傳感器的響應。該策略適用于各種彈性材料，由于其出色的延展性（即破壞應變>0.5），本研究中使用了熱塑性聚氨酯（TPU，法國路博潤的Tecoflex™SG-80A）。

來源：傳感器專家網