软织物传感器 自保护，人机互动柔性织物传感器研究取得进展
自保护、人机互动柔性织物传感器研究取得进展
可穿戴柔性电子器件，因其柔性/拉伸性、质轻、成本低、便携等特性，被广泛应用于人体运动/人体健康的实时监测、人机/脑机交互以及机器学习等领域。但目前仍存在灵敏度及响应速度较低、检测下限较高、检测范围较窄等问题，器件基础性能仍有待提高。同时，在真实的应用场景中，其亦存在稳定性、抗环境干扰能力不高，规模化生产困难等挑战。要解决这些问题，设计性能优异且多功能的材料体系以及合理的器件结构最为关键。
近年来，中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员陈涛团队在高性能、多功能可穿戴柔性传感器件方面取得了阶段性的进展（ACS Nano,2019, 3, 4368-4378；Nano Energy,2019, 59, 422-433；Chem. Mater.2018, 30, 4343-4354；J. Mater. Chem. C,2018, 6, 5140-5147；J. Mater. Chem. C,2018, 6, 6666-6671）。通过碳管/石墨烯二维薄膜与PDMS/Ecoflex等弹性体的有效复合，赋予了器件多重且优异的性能，包括超高灵敏度、宽检测范围、低检测下限，自粘附功能等，并在器件规模化生产上进行了初步尝试。
最近，该团队在J. Mater. Chem. A上报道了一种自保护、可重复使用、高灵敏度的织物传感器，题为Self-Protective, Reproducible Textile Sensor with High Performance towards Human-Machine Interaction (DOI: 10.1039/C9TA10744D)。在该工作中，研究人员针对织物基传感器容易受到外界机械化学环境干扰的问题，特别是人体表皮的汗液、油脂以及穿戴磨损对器件的长期稳定使用的阻碍，设计了一种超疏液、耐磨损、高灵敏度的电子织物（SPRET）。SPRET由三部分材料组成，包括织物基底，以及由通过化学键等强相互作用稳定在织物表面的碳管导电网络和多功能的聚合物涂层（图1）。其表现出了对多种日常试剂的排斥，在胶带磨损以及洗涤试验后其疏液、传感性能几乎保持不变（图2、3），并实现了在汗液/水环境下对人体运动的无损检测以及对机器人的精准控制（图4），以及在机器人学习上进行探索，使得坚硬的机器手在抓取脆性的物件如鸡蛋时既能完成抓取任务，又能保证鸡蛋不破碎（图5）。所设计的柔性传感器在长期、连续、可靠监测人类行为方面表现出了实际性的应用潜能。
以上工作得到国家自然科学基金（51803226、51573203）、中科院前沿科学重点研究项目（QYZDB-SSW-SLH036）、中科院国际合作局（174433KYSB20170061）等的资助。
图1 自保护、可重复使用的高灵敏织物传感器
图2 SPRET的制备与结构
图3 SPRET对磨损、洗涤试验表现出稳定的疏液、传感性能
图4 SPRET在汗液/水环境下对机器人实现了精准控制
图5 SPRET应用于机器人训练
陕西科大：聚氨酯MXene碳纳米管织物传感器，用于抗菌婴儿衣物
成果简介
持续监测生理健康状况和有效抵御外部危害是对极易受伤害人群，尤其是婴儿进行医疗保健管理的一个不可或缺的方面。因此，探索一体化设备对于避免他们受伤和患病仍然至关重要。将传感、电磁防护、保暖/降温和防水/抗菌等多种特性集成到一种普通织物中，无疑是应对各种应用场景的一种前景广阔的解决方案。然而，如何以有效、耐用的方式同时实现集成却面临着巨大的挑战。
本文，陕西科技大学闫凯副教授、宗延副教授等研究人员在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊 发表名为“Scalable and Multifunctional Polyurethane/MXene/Carbon Nanotube-Based Fabric Sensor toward Baby Healthcare”的论文，研究通过在棉织物上依次涂覆 MXene、碳纳米管（CNT）和自修复聚氨酯（PU），实现了多功能织物。 MXene 和 CNTs 的出色导电性以及聚氨酯的自愈合能力协同作用，使织物具有柔韧性、透气性、保护性和传感性，并且经久耐用。
它可以检测身体的运动，如手指、肘部、手腕和膝盖的弯曲，测量系数高达 8.78，响应速度快。此外，这种传感织物还能保护穿戴者免受电磁波和细菌的伤害，在 7.6 GHz 频率下的最低反射损耗为-57.6dB，并且由于加入了 MXene 和聚乙烯亚胺，具有很高的抑菌效率。此外，碳质材料的电热性能使其能够充当人体取暖器。这种多功能纺织品的协同设计为生产先进的智能纺织品提供了一种前景广阔的策略，在婴幼儿保健领域大有可为。
图文导读
图1.多功能MXene/CNTs/PDMS-SB-PU处理织物示意图
图2.（A-C）PDMS-SB-PU-2薄膜上划痕的光学显微镜图像在室温下愈合2小时之前和之后。（d）甲基蓝染色后自愈过程的外观。（e） PDMS-SB-PU-2自愈机制示意图。
图3.表面形态和结构表征
图4.MCPP织物（N5）作为传感器，用于实时检测人体运动。
图5.（a，b）MCPP织物在不同洗涤时间和不同磨损周期下的WCA。（c） MCPP织物在100次磨损循环和30分钟修复后的WCA。（d） 0、（e） 15 和 （f） 25 加速洗涤时间后 MCPP 织物的抗手指弯曲阻力的相对变化。（h-j）MCPP织物在（g）0、（h）60和（i）100磨损循环后的抗手指弯曲性。
图 6. (a-c) MCPP 织物在 (a) 2、(b) 3 和 (c) 5 V 下浸渍 1、3 和 5 次的电热曲线。(d-g) MCPP 织物在 2 V 下浸渍三次的热红外照片。(h-k) MCPP 织物对人体部位的热处理。(l,m) 纯棉织物和 MCPP 织物对金黄色葡萄球菌的抗菌活性。(n,o）在棉织物和 MCPP 织物上生长的金黄色葡萄球菌的扫描电镜图像。p,q) 纯棉织物和 MCPP 织物对大肠杆菌的抗菌活性。(r,s) 棉织物和 MCPP 织物上生长的大肠杆菌的扫描电镜图像。
图 7. MCPP 织物的复介电常数（a）实部、（b）虚部和复磁导率，以及（c）实部和（d）虚部。MCPP 织物（e）N1、（f）N3 和（g）N5 在 2-18 GHz 频率范围内的反射损耗（RL），以及（h）N1、（i）N3 和（j）N5 的相应 3D RL。k）织物传感器的电磁波吸收机制示意图。
小结
总之，通过简单的浸涂技术，在 MXene、CNT 和自修复聚氨酯基涂层改性材料上进行装饰，开发出了一种多功能织物。这种 MCPP 织物不仅保持了与生俱来的柔韧性、舒适性和透气性，还具有防水和抗菌性能。此外，这种织物还可用作运动监测传感器，其 GF 值为 8.78，具有出色的周期稳定性，这在手指、肘部和膝部弯曲的检测中得到了进一步证实。此外，MCPP 织物的传感性能在经历水洗和磨损后仍保持不变。此外，MCPP 织物还具有良好的人体焦耳加热能力和突出的吸波性能（7.6 GHz 时的最小 RL 为 -57.6 dB，EAB 为 3.55 GHz）。这项研究可能会对多功能织物有所启发，它在可穿戴设备中的应用前景非常广阔，可用于婴儿医疗保健领域。
文献：
https://doi.org/10.1021/acsami.3c18996
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