国内大学研究人员联合研发热管理柔性可穿戴应变传感器

柔性电子器件因其可在弯折、扭曲、折叠、拉伸等情况下仍能保持稳定的电学性能而成为当下科学研究的热点之一。相比常规硬质器件，柔性电子器件在诸如柔性传感器、可穿戴设备、能源存储、植入医疗等领域有着广泛的应用。与高导热复合纳米材料类似，柔性电子器件的制备也多是通过将导电纳米材料 (例如纳米线、纳米管、石墨烯等)与柔性高分子基体复合来获得。然而在器件反复形变过程中，导电纳米材料之间较大的接触电阻，以及纳米材料与高分子基体之间的不良接触等，均会使得柔性电子器件内部积聚大量热量。这些热量如果不能及时从器件中消散，势必会影响器件的性能和寿命，甚至会危及整个系统的安全。即对于柔性电子器件，除了优异的力学性质和电学性质，稳定的热学性能同样重要。目前的导热绝缘复合材料尽管本身具有一定柔韧性，并且应用于LED等常规硬质电子器件的热管理，但其在柔性电子器件领域的应用研究却极少有人涉足。探寻恰当的热管理材料与结构，并应用于柔性电子器件领域，对其机理展开深入研究，对于新一代柔性可穿戴电子器件的发展显得尤为重要。

日前，青岛大学物理科学学院孙彬副教授与上海交通大学黄兴溢教授、上海大学张统一院士等合作研发了一款具有高效热管理能力的柔性可穿戴应变传感器，并用于青岛大学龙舟运动员的日常训练动作监测和分析。相关工作以“A high performance wearable strain sensor with advanced thermal management for motion monitoring”发表在《Nature Communications》上。第一作者为青岛大学2020届物理学硕士研究生谭岑孝，孙彬副教授、黄兴溢教授和张统一院士为论文共同通讯作者。

研究者对该柔性可穿戴传感器进行了独特的结构设计：由石墨烯纳米带(GNRs)构成导电网络在器件发生形变时，电阻信号发生变化，可以用来实时监测人体运动情况;导热层由掺杂了氮化硼纳米片的热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU-BNNS)膜构成，可将器件使用过程中产生的热量快速实时传导到空气中;热绝缘层(TPU纤维膜)则可有效防止热量在器件和人体皮肤界面累积，保障人体安全。同时，TPU纤维膜的多孔结构也保证了皮肤的透气性。

图1 柔性可穿戴应变传感器结构及实物图。

测试中，研究者发现，无论是TPU-BNNSs膜还是传感器的导热系数都会随着BNNSs含量的增加而增加，但由于传感器含有疏松的TPU电纺纤维层，因此其导热系数不如含有相同质量BNNSs的TPU-BNNSs膜，但含有35%BNNSs的传感器样品导热系数仍较纯TPU致密膜封装的样品有242%的提高，这也导致前者的饱和工作温度较后者有32%的下降。此外，研究者还对该传感器在0-100%应变范围内的饱和工作温度进行了观测，在超过30个循环内，其饱和温度变化在3.5 °C以内，显示了较高的热稳定性。其原因在于TPU-BNNSs膜中的BNNSs相互搭联形成导热通路，虽然拉伸时部分BNNSs接触面积变小，导致温度小幅提高，但恢复形变之后大部分BNNSs又回到原来位置，修复了导热通路。

图2 (a) TPU-BNNS导热层和传感器的导热系数。(b) 不同BNNSs含量的传感器样品饱和工作温度比较。 (c) 传感器经受30多个反复拉伸(100 %形变)-复原过程时表面温度变化曲线。(d) 拉伸-复原过程中由BNNSs间接触面积变化而引起导热通路变化示意图。

龙舟竞赛是我国的传统体育项目。在龙舟比赛中，龙舟运动员以肩膀为轴，通过上肢运动划动桨叶，从而驱动龙舟快速向前运动。因此，龙舟运动员的伤病主要发生在上肢，包括肩膀、肘部、手腕等关节，而其中大部分是因为疲劳引起。考虑到疲劳时容易产生动作变形，研究者们将该应变传感器用于青岛大学女子龙舟队(2019年中华龙舟大赛总决赛季军)队员的日常训练动作监测。监测时，传感器被分别固定在运动员肩膀、手腕和肘部。结果表明，当运动员体力充沛时，固定于肩膀处的传感器信号显示有两处峰值，分别对应了肩部的拉伸和关节旋转;而当运动员感觉疲劳时，肩关节的旋转信号减弱甚至完全消失，只剩下机械的拉伸活动。相反，运动员手腕处的传感器信号显示，相比于体力充沛时，感觉疲劳的运动员会不由自主的弯曲手腕以获得足够的推动桨叶的力量。此外，无论是肩膀、手腕还是肘部，当运动员体力不支时，传感器信号的输出强度均小于体力充沛时。

图3 应变传感器用于龙舟队员训练时动作监测分析

对于可穿戴电子设备而言，器件的安全性至关重要，即器件成分本身不能对人体产生任何安全隐患。本传感器中，导热层和热绝缘层都是由TPU构成，因此两层材料有较好的互溶性，可以将GNRs和BNNSs牢牢限制在器件中，从而避免了因纳米材料可能产生的毒性对人体细胞的损伤。

图4 细胞增殖实验证明该柔性可穿戴应变传感器的安全性

该工作有望对柔性可穿戴器件的制备提供新的思路。

上述工作还得到了青岛大学龙云泽教授、郭向欣教授、赵海光教授、上海交通大学江平开教授、复旦大学周兆才教授、上海大学江进武教授、苏州大学赵燕教授和青岛大学水上运动中心等的指导和无私帮助。