电子皮肤是新一代智能设备的重要组成部分。轻质化、柔软化、舒适化和多功能化是电子皮肤发展的趋势。电子织物隐形、连续、实时、非侵入式的健康检测并跟踪目标移动的特征使其在越来越兴盛的人机交互中可以为用户提供沉浸式的良好体验。因此电子织物将成为未来电子皮肤重要形式。开发纤维尺度上的电子器件是弥补现有电子织物在柔性、舒适度、可剪裁性和美观度上的缺陷的关键。传统纤维挤出工艺简单、卷对卷过程已实现标准化、纤维可集成化以及导电纤维具有高的空间分辨率等特点使得开发功能纤维呈现出巨大的潜能和优势。
目前，电子系统与环境进行交互的方式包括物理接触（接触式交互）和远距离跟踪（非接触式交互）两种方式。随着电子系统对物体操作的复杂程度的增高，人们希望通过将接触与非接触信号的同时输入来使设计最小化。但是，现有的可以同时输出接触与非接触信号的双功能传感纤维的直径（~1 mm）较大，无法实现类似于天然或合成纤维的贴合度和柔软度，同时纤维结构非常复杂，大规模化生产也受到限制。因此该双功能纤维远远无法满足现代可穿戴器件的要求。现在亟需直径足够小且结构足够简单的双功能传感纤维及相应的双功能传感系统。针对这一问题，加州大学洛杉矶分校裴启兵教授团队与东华大学王华平团队合作研发了一种基于超细导电多孔的银纳米线-细菌纤维素（AgNW-BC）复合纤维的双模式纤维传感器。该成果由关方怡博士撰写并以“Silver Nanowire-Bacterial Cellulose Composite Fiber-Based Sensor for Highly Sensitive Detection of Pressure and Proximity”为题发表于杂志《ACS Nano》上。
该成果的创新点在于利用AgNW-BC纤维的层级多孔结构增加接触式压力传感的灵敏度，利用纤维超细和高导电率的特点获得非接触式距离传感的高灵敏度和宽检测限。两种模式的高灵敏度和宽检测限赋予了该纤维传感器对微弱信号（如声音、脉搏）和远距离物体的位置的精确检测和识别。
非接触式演奏钢琴
AgNW-BC纤维由成熟的湿法纺丝技术制备而成（如图1）。在凝固与快速的双扩散过程中，AgNW与BC 纳米纤维的混合物形成层级多孔结构。纤维从凝固物进入空气后，具有强亲水性、高膨胀率、高机械强度的BC纳米纤维迅速收缩，BC表面丰富的羟基相互连接形成稳定高强的网络结构。同时，AgNW以BC纳米纤维为稳定剂，均匀分散在BC纳米纤维的网络中，两种纳米纤维形成互贯网络。涂覆PDMS并将其作为介电层，以AgNW-BC导电纤维为电极，将两条AgNW-BC/PDMS交叉放置即可得到电容式双功能传感器，该传感器可以对压力和距离进行实时检测。
图1. AgNW-BC/PDMS双功能传感器的制备和结构。(A) 双功能纤维基传感体系，实时识别一个接近或接触或离开的手指。(B) 湿法纺丝制备AgNW-BC纤维的过程。(C) 在溶剂交换过程中亚稳态的AgNW-BC凝胶纤维。(D) 具有层级多孔结构的AgNW-BC纤维。(E) 具有同轴介电层的AgNW-BC/PDMS纤维。
AgNW-BC复合纤维超细（约50 μm），放在长春花的花瓣上几乎不可见，超轻质的特点几乎不会对花瓣产生力的作用（如图2）。复合纤维优良的柔韧性使其可以缝纫在普通的布块上。BC纳米纤维强的机械强度及其与AgNW均匀的互贯结构赋予AgNW-BC复合纤维优异的机械性能和具有弯曲稳定性的高导电率。AgNW-BC复合纤维拉伸强度达198 MPa，且在弯曲1200次后导电率仍保持在1.3 × 104 S/cm，可以点亮LED灯。
图2. AgNW-BC纤维的性能。(A) 两条AgNW-BC纤维放于长春花上（在红色虚线附近）。插图显示了纤维具有均匀的直径（50 μm）。标尺为200 μm。(B) 柔韧的AgNW-BC纤维穿入一个细针（左）中并缝在布块上（右）。(C) AgNW-BC的机械性能。(D) AgNW-BC纤维悬挂2 V电压点亮的LED灯。
在接触模式下，由AgNW-BC/PDMS复合纤维交叉制成的纤维传感器可对压力进行检测，灵敏度高达5.49 kPa -1（<0.5 kPa），这得益于纤维内部的层级多孔结构（如图3）。在受到压力时多孔结构会被压缩，纤维产生变形，电极正对面积增大，电容值大大增加，灵敏度因而得到有效提升。利用纤维传感器高灵敏、轻质、隐形的特点制得时尚的“传感颈链”和“传感手链”。传感颈链可以对声音进行检测和识别，准确率达90%以上，因此有望在不增加心理和生理负担的前提下辅助听力障碍者提高听力。传感手链可以检测脉搏，提供健康信息，日常佩戴可有效警示和预防心血管疾病。将AgNW-BC/PDMS复合纤维制成传感纤维阵列，可以模拟皮肤的功能对平面内压力分布进行检测。
图3. 压力传感性能。(A) 逐渐增加压力时的电容响应（C/C0）。插图为在低压力范围内电容的变化，压力传感器的灵敏度由数据点的线性拟合确定。(B) 压力传感器的机理。两条纤维在无压力状态下正对面较小(i)而在压力状态下正对面积显著增加(ii)。(C) 发出四次“Melody”发音时颈链传感器测得的相对电容变化信号。插图为志愿者的脖子上佩戴颈链传感器，放大图显示了颈链传感器的结构。(D) 当带有颈链传感器的志愿者发出三次“two”和“three”的发音时相对电容的变化。(E) 纤维传感器穿戴在志愿者手腕上时测得的脉搏信号。(F) 在5×5传感阵列上的平面压力传感。压力由两个砝码（1.0 g 和5.0 g）垂直放置在传感阵列上施加。十条AgNW-BC/PDMS纤维垂直放置，纤维之间的间隔为6 mm (i)。标尺为6mm。图ii为两个砝码放置在传感阵列上是电容响应的空间分布图。
在非接触模式下，由于纤维超细的直径和高的电导率，AgNW-BC/PDMS纤维传感器对距离的灵敏度可以达到0.19 cm -1，传感范围高达30 cm（如图4）。利用该纤维传感器对距离的高灵敏度、宽范围检测的能力，将8条AgNW-BC/PDMS纤维制成1 × 7的纤维阵列，每个交叉点（即传感点）对应一个音符，由此组成了非接触式钢琴。该钢琴可实现手指的非接触式演奏，即将手指悬空放置在琴键上方并移动即可演奏出音乐。2 × 2的AgNW-BC/PDMS纤维阵列可以对远距离（至少4 cm）的小球进行精确定位，精确度小于0.05 cm。
图4. 距离传感性能。(A) 单像素的传感器的机理图。(B) 传感器的电容对远距离的手的响应。(C) 与其他已报道的距离传感器的距离传感性能的比较。(D) 基于纤维传感器的非接触式钢琴的电路图。(E) 在琴键上方4 cm处用手指弹奏非接触式钢琴的实物图。(F) 用于校准的2 × 2多通道阵列的一个传感区域，一个小球置于传感器阵列正上方作为环境中的物体。四条交叉的纤维形成四个交叉点α、β、γ和δ。点γ定义为(1, 1)，向右侧的方向设为X轴，向上的方向设为Y轴，垂直方向为Z轴。(G) 当小球置于传感器上方4 cm时，四个传感点α、β、γ和δ的标准曲线，分别对应图i、ii、iii和iv。(H) 将金属小球置于点(4 cm, 5 cm)，100次重复实验中小球的位置分布图。
本研究的意义在于用简单且成熟的技术实现了纤维尺度上的高灵敏双功能传感。所制得的功能纤维直径足够小且结构足够简单，通过将接触式和非接触式信号的同时输入来使设计最小化，实现了类似于天然或合成纤维的贴合度和柔软度。基于该功能纤维的双功能传感器具有轻质化、柔软化、舒适化和多功能化的特征，可以实现隐形、连续、实时、非侵入式的健康检测并跟踪目标移动，模拟甚至超越了人体感觉系统。该纤维基双功能传感器不仅可以弥补现有电子织物在柔性、舒适度、可剪裁性和美观度上的缺陷，而且有望实现大规模化生产，满足了现代可穿戴器件的要求，未来有可能用于实现服装的智能化和多功能化，为人们的生活提供更便捷和更高质量的服务。
全文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c06063
来源：高分子科学前沿
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