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  柔性力學(xué)傳感器作為智能可穿戴電子設(shè)備的重要組成部分，在醫(yī)療保健、電子皮膚和人機(jī)交互等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而備受關(guān)注。截止目前，研究人員雖然在提升壓力和應(yīng)變傳感器性能方面取得了一定的研究成果，但多數(shù)傳感器只能對(duì)單一類型的力學(xué)刺激（如應(yīng)變或壓力）具有高靈敏度，如何通過發(fā)揮導(dǎo)電材料和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用構(gòu)建一種能夠兼具壓力和應(yīng)變傳感，并具有高靈敏度，寬應(yīng)變范圍和優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性的柔性力學(xué)傳感器，依然面臨著挑戰(zhàn)。

  西安工程大學(xué)劉呈坤教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合新加坡南洋理工大學(xué)Seeram Ramakrishna 團(tuán)隊(duì)，依次通過自捻合、靜電噴涂、靜電紡絲、超聲浸漬與氧化還原的方法成功地制備了仿DNA雙螺旋褶皺結(jié)構(gòu)AgNPs/MWCNTs-COOH/PDA/PU/PVB納米纖維包覆紗（DNA-like AMPPPNY）力學(xué)傳感器。該傳感器通過利用不同維度的導(dǎo)電材料以及特殊結(jié)構(gòu)的引入，實(shí)現(xiàn)了柔性力學(xué)傳感器綜合性能的提升，可同時(shí)感知應(yīng)變與壓力，在人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)與智能醫(yī)療等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

  研究團(tuán)隊(duì)首先通過加捻彈力紗形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，預(yù)拉伸固定后靜電噴涂PVB粘合劑并紡絲包覆PU納米纖維膜，撤去預(yù)拉力后形成仿DNA雙螺旋褶皺結(jié)構(gòu)。通過DA自聚合在納米纖維表面形成PDA，再依次負(fù)載MWCNTs-COOH和AgNPs導(dǎo)電材料構(gòu)建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。最后用PDMS封裝固化，制備DNA-like AMPPPNY柔性力學(xué)傳感器。

圖1 DAN-like AMPPPNY力學(xué)傳感器制備流程

  圖2展示了DNA-like AMPPPNY的光學(xué)圖像及微觀形貌。通過對(duì)紗線預(yù)拉伸并電紡PU納米纖維膜，成功構(gòu)建出仿DNA雙螺旋褶皺結(jié)構(gòu)。激光共聚焦測(cè)試進(jìn)一步表明纖維表面具有三維波峰-波谷形貌，褶皺振幅約為30 μm，波長(zhǎng)約為160 μm。

圖2 仿DNA雙螺旋皺褶結(jié)構(gòu)的表征

  圖3展示了DNA-like AMPPPNY的結(jié)構(gòu)構(gòu)建及性能提升。靜電紡PU納米纖維膜的高比表面積，便于功能材料負(fù)載；PDA自聚合增強(qiáng)了纖維表面與MWCNTs-COOH的界面結(jié)合力。在超聲作用下，MWCNTs-COOH均勻分布形成致密導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步負(fù)載AgNPs后，構(gòu)建出穩(wěn)定雙導(dǎo)電通路。PVB粘結(jié)劑增強(qiáng)芯層與包覆層結(jié)合，提升力學(xué)性能，應(yīng)變范圍增加至310%。該結(jié)構(gòu)纖維電阻率降低至0.0191 Ω·cm，可驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮LED，展現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。

圖3 DNA-like AMPPPNY的結(jié)構(gòu)構(gòu)建及性能提升

  如圖4所示，DNA-like AMPPPNY力學(xué)傳感器靈敏度最佳，在應(yīng)變范圍為0-200%時(shí)，GF為603，應(yīng)變范圍為200%-310%時(shí)，GF為11977。高靈敏度歸因于AgNPs與MWCNTs-COOH構(gòu)建的致密導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。拉伸初期，褶皺側(cè)壁接觸與分離引發(fā)電阻變化；高應(yīng)變下，微裂紋增多加劇電阻變化，提升靈敏度。傳感器響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間分別為130/135 ms，表明該傳感器具備快速響應(yīng)實(shí)時(shí)信號(hào)變化的優(yōu)異性能。此外，在不同應(yīng)變范圍以及10000次循環(huán)中其相對(duì)電阻變化規(guī)律基本一致，保證傳感器在實(shí)現(xiàn)應(yīng)變檢測(cè)時(shí)具有優(yōu)異的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和耐久性。

圖4 DNA-like AMPPPNY傳感器的應(yīng)變傳感性能

  如圖5所示，仿DNA雙螺旋褶皺結(jié)構(gòu)可顯著降低柔性力學(xué)傳感器的遲滯性能。在10%和30%應(yīng)變下，力學(xué)遲滯分別由33.4%降至23.2%和由37.5%降至27.5%，這是因?yàn)樾炯喌呐まD(zhuǎn)彈力及褶皺納米纖維膜的彈性恢復(fù)作用，有助于紗線快速回彈。電學(xué)遲滯分別降低至17.9%和29.1%，主要由于預(yù)拉伸形成的褶皺結(jié)構(gòu)提高了導(dǎo)電材料分布密度，抑制微裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展。相比之下，平面結(jié)構(gòu)缺乏有效恢復(fù)機(jī)制，且導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)破壞較嚴(yán)重，導(dǎo)致遲滯增大。

圖5 DNA-like AMPPPNY傳感器的電學(xué)與力學(xué)遲滯性

  如圖6所示，通過兩根傳感紗垂直交叉構(gòu)建壓阻式傳感單元，在受壓時(shí)褶皺結(jié)構(gòu)增大接觸面積，總電阻降低。相對(duì)電阻隨壓力變化呈兩階段線性關(guān)系，低壓（0–2 kPa）靈敏度達(dá)0.475 kPa^-1，高壓（2–10 kPa）降至0.047 kPa^-1。I–V曲線表現(xiàn)出良好線性和穩(wěn)定的靜壓響應(yīng)。此外，傳感器在多次加載-卸載（1–3 kPa）及1 kPa下持續(xù)10000次重復(fù)循環(huán)中，信號(hào)穩(wěn)定，響應(yīng)一致，表現(xiàn)出優(yōu)異的可重復(fù)性與耐久性。

圖6 DNA-like AMPPPNY傳感器的壓力傳感性能

  為驗(yàn)證DNA-like AMPPPNY傳感器在人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)中的可行性，將其嵌織于織物并固定于志愿者不同部位進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)（圖7）。結(jié)果表明，傳感器不僅能監(jiān)測(cè)細(xì)微的運(yùn)動(dòng)，還可以監(jiān)測(cè)大幅度運(yùn)動(dòng)，在人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方面展示出良好的應(yīng)用潛力。

圖7 DNA-like AMPPPNY傳感器在運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

  該工作以“DNA-Like Double-Helix Wrinkled Flexible Fibrous Sensor with Excellent Mechanical Sensibility for Human Motion Monitoring”為題 發(fā)表在期刊Advanced Fiber Materials上（一區(qū)top，IF=17.2）。通訊作者為西安工程大學(xué)劉呈坤教授，共同通訊作者為新加坡南洋理工大學(xué)Seeram Ramakrishna 教授和西安工程大學(xué)張振方博士。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和陜西省創(chuàng)新能力支持計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1007/s42765-025-00560-7