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  可穿戴傳感器在監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)和健康方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。傳統(tǒng)型傳感器的傳感可靠性在人體穿戴時(shí)會(huì)受到人體微界面溫度和濕度變化的影響，導(dǎo)致身體區(qū)域傳感網(wǎng)絡(luò)的傳感精度不佳。為此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)牛角瓜纖維進(jìn)行石墨烯導(dǎo)電功能化改性，聯(lián)合使用牛角瓜纖維紗線和彈性紗線制備出應(yīng)變傳感器。所研制的傳感器具有響應(yīng)速度快（<60 ms）、耐久性高（>3000次）和透濕性好（水蒸發(fā)率≈2.03 kg m^-2 h^-1）等優(yōu)點(diǎn)。另外，傳感器的靈敏度可以通過(guò)改變寬度進(jìn)行簡(jiǎn)便調(diào)控，尤其是該傳感器能夠在不同的溫度和濕度變化下保持穩(wěn)定的信號(hào)輸出。該傳感器可以用來(lái)構(gòu)建全身的傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)和健康信號(hào)，將在未來(lái)個(gè)性化醫(yī)療保健和公共衛(wèi)生管理方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

  2023年2月3日，蘇州大學(xué)現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室李剛教授、英國(guó)曼徹斯特大學(xué)材料學(xué)院Chair Professor李翼教授和牛津大學(xué)Botnar研究中心劉澤堃博士合作，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種牛角瓜纖維基多功能可穿戴柔性應(yīng)變傳感器，能夠在反復(fù)變化的可穿戴界面微氣候環(huán)境下工作，并能夠穩(wěn)定可靠地檢測(cè)人體各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)信號(hào)。該項(xiàng)工作以“Calotropis Gigantea Fiber-based Sensitivity-tunable Strain Sensors with Insensitive Response to Wearable Microclimate Changes”為題發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Advanced Fiber Materials上（DOI: 10.1007/s42765-023-00270-y）。蘇州大學(xué)碩士張君澤（現(xiàn)香港理工大學(xué)博士生）、蘇州大學(xué)碩士生劉靜為共同第一作者，蘇州大學(xué)李剛教授、英國(guó)曼徹斯特大學(xué)李翼教授和牛津大學(xué)劉澤堃博士為共同通訊作者。合作作者還包括東華大學(xué)李毓陵教授，中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所、紅河山地未來(lái)中心許建初教授、趙高卷博士，香港理工大學(xué)趙澤宇以及蘇州大學(xué)孫瑋瑋、劉競(jìng)舸。該工作得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、科技部國(guó)際合作司項(xiàng)目和中國(guó)紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)“紡織之光”應(yīng)用基礎(chǔ)研究等項(xiàng)目的支持。

  研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)選取石墨烯功能化的牛角瓜紗線和彈性紗線作為功能性元件，開(kāi)發(fā)了牛角瓜纖維基多功能可穿戴應(yīng)變傳感器。牛角瓜具有強(qiáng)大的生態(tài)修復(fù)和環(huán)境治理能力，是一種寶貴的農(nóng)業(yè)和紡織資源。其纖維天然抗菌，具有80-90%的中空結(jié)構(gòu)，相比于常見(jiàn)纖維（棉、麻和羊毛纖維），更加質(zhì)輕柔軟和保暖舒適，可作為可穿戴設(shè)備的理想材料之一。在應(yīng)變傳感器中，石墨烯功能化的牛角瓜紗線用作緯紗賦予了織物良好的導(dǎo)電性能，并且有效避免了傳感器經(jīng)向拉伸時(shí)的磨損（耐久性>3000次），彈性紗線用作經(jīng)紗保證了傳感器的可拉伸性（伸長(zhǎng)率>100%）�？梢酝ㄟ^(guò)改變織造寬度來(lái)簡(jiǎn)便調(diào)節(jié)相鄰的導(dǎo)電牛角瓜紗線之間的接觸點(diǎn)的數(shù)量，從而可以調(diào)控應(yīng)變傳感器的靈敏度。由于傳感器表面含有極少的含氧官能團(tuán)，在不同溫度和濕度環(huán)境下仍然保持性能穩(wěn)定。該傳感器能夠在人體傳感網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體的運(yùn)動(dòng)情況，在個(gè)人健康管理和人機(jī)交互領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1. 牛角瓜纖維基可穿戴柔性傳感器的制備過(guò)程示意圖

 圖2. 牛角瓜纖維基可穿戴柔性傳感器在拉伸下的電響應(yīng)和相應(yīng)機(jī)制展示

 圖3. 牛角瓜纖維基可穿戴柔性傳感器在人體區(qū)域傳感網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)用

  上述研究結(jié)果表明，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的牛角瓜纖維基多功能可穿戴應(yīng)變傳感器具有可調(diào)控的靈敏度、快速的響應(yīng)速度、優(yōu)異的機(jī)電性能和耐濕熱穩(wěn)定性，能夠用于人體區(qū)域傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，在個(gè)人和公共數(shù)字健康管理方面展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。該團(tuán)隊(duì)還獲得了2022年第八屆中國(guó)國(guó)際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽全國(guó)總決賽金獎(jiǎng)。該工作是項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)近期在應(yīng)變傳感器相關(guān)領(lǐng)域取得的最新研究進(jìn)展之一（Cellulose, 2022, 29, 3545-3556；Chemical Engineering Journal, 2023, 459: 141628）。

論文第一/通訊作者簡(jiǎn)介：

  張君澤：碩士生、蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，研究方向?yàn)橹悄芄δ芗徔椘贰?/span>

  劉    靜：碩士生、蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，研究方向?yàn)橹悄芄δ芗徔椘贰?/span>

  劉澤堃：英國(guó)曼徹斯特大學(xué)材料學(xué)院博士、英國(guó)牛津大學(xué)博士后，研究方向?yàn)楣δ芑w維在生物、智能穿戴和能源環(huán)境方面的應(yīng)用。

  李翼：曼徹斯特大學(xué)材料系講座教授，英國(guó)皇家藝術(shù)制造與商業(yè)學(xué)會(huì)終身院士，英國(guó)國(guó)際紡織協(xié)會(huì)院士。 主要從事功能化纖維應(yīng)用于生物醫(yī)用紡織、功能紡織材料、智能穿戴和能源環(huán)境等方面的研究工作。已指導(dǎo)博士畢業(yè)生68余人，研究人員150余人。發(fā)表學(xué)術(shù)論文600余篇，其中SCI/CPCI論文451篇，引用16222次，h-index 67，i10-index 271，被公認(rèn)為智能功能紡織品的國(guó)際領(lǐng)先專(zhuān)家。 2013年入選湯姆森路透社“高被引科學(xué)家”名單。擁有80多項(xiàng)專(zhuān)利，其中46項(xiàng)在中國(guó)、美國(guó)和澳大利亞獲得授權(quán)，28項(xiàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)移到工業(yè)界。受邀超過(guò) 130 次的主題演講/大會(huì)報(bào)告，在研究與轉(zhuǎn)化方面獲得了超過(guò) 53 項(xiàng)獎(jiǎng)項(xiàng)。課題組主頁(yè)：https://www.research.manchester.ac.uk/portal/henry.yili.html 

  李剛：蘇州大學(xué)現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室教授、博士生導(dǎo)師。江蘇省第十五批“六大人才高峰”高層次人才、江蘇省“雙創(chuàng)計(jì)劃”科技副總?cè)脒x人才、江蘇省僑聯(lián)青年委員會(huì)委員、蘇州大學(xué)僑青會(huì)副會(huì)長(zhǎng)。主要從事絲蛋白生物材料、醫(yī)用紡織材料和功能紡織品等跨學(xué)科方面的研究工作。香港理工大學(xué)博士，導(dǎo)師為曼徹斯特大學(xué)材料系Chair Professor李翼教授；美國(guó)塔夫茨大學(xué)訪問(wèn)學(xué)者，導(dǎo)師為美國(guó)國(guó)家工程院院士David Kaplan教授。主要發(fā)表中英文論文100余篇，申請(qǐng)專(zhuān)利70余件和國(guó)際PCT專(zhuān)利2項(xiàng)，已授權(quán)專(zhuān)利45件。先后主持和參與國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目10余項(xiàng)。曾獲“香港首屆創(chuàng)新大賽”冠軍、第八屆中國(guó)國(guó)際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽全國(guó)總決賽金獎(jiǎng)和全國(guó)紡織優(yōu)秀碩士論文指導(dǎo)老師等榮譽(yù)。課題組主頁(yè)：http://web.suda.edu.cn/tcligang/ 

  論文信息：Junze Zhang, Jing Liu, Zeyu Zhao, Weiwei Sun, Gaojuan Zhao, Jingge Liu, Jianchu Xu, Yuling Li, Zekun Liu, Yi Li, Gang Li. Calotropis gigantea Fiber-based Sensitivity-tunable Strain Sensors with Insensitive Response to Wearable Microclimate Changes. Adv. Fiber Mater., 2023. https://doi.org/10.1007/s42765-023-00270-y