西安交大研发柔性器件力学结构设计与智能柔性传感

近年来，随着重大疾病的流行与大众健康观念的提升，可穿戴健康监测逐渐兴起。人体皮肤应变是可穿戴健康监测的一项重要指标，可全方位反映人体健康信息。但由于人体不同部位的皮肤变形幅度差异较大(两个数量级)，开发具有宽检测范围的广域应变传感器就变得尤为重要。

西安交通大学仿生工程与生物力学研究所(BEBC)的研究人员围绕柔性器件力学结构设计的思路，受到蛇体表交错重叠、可发生滑动以顺应变形的鳞片启发，开发了可延展的仿生叠覆鳞片结构。通常情况下，刚性材料在变形下的断裂破坏是柔性器件开发中需要极力规避的问题，然而该鳞片结构却“反其道而行”，通过变形下柔性基底上刚性薄膜的断裂、重叠形成，利用相邻叠覆鳞片之间的相对滑动顺应外部变形，显著降低刚性鳞片自身承受的应变，从而提升结构的可延展性(超过100%应变)。

研究人员以导电聚合物PEDOT:PSS为例，利用变形下PEDOT:PSS鳞片滑移产生的总体电阻变化，实现应变传感，且传感器检测范围及灵敏度可通过改变基底预拉伸幅度灵活调控，实现高灵敏度、宽范围(1%~100%)应变传感，相较于已有研究成果，应变传感范围显著拓宽，进一步将传感器贴附于人体表不同部位，实现了对于人体正常生理活动(如脉搏、发声、吞咽、面部表情、肢体运动等)产生的不同幅度皮肤应变的有效传感，展现了应用于可穿戴物理运动监测、心理状态评估的潜力。

仿生叠覆鳞片结构广域应变传感器。(A)蛇皮表面交错重叠的鳞片;(B)叠覆鳞片结构PEDOT:PSS变形机理;

(C)叠覆鳞片结构PEDOT:PSS用于应变传感：(D)所开发叠覆鳞片结构PEDOT:PSS在广域传感中的优势;(E)传感器结构;(F)所开发传感器用于可穿戴脉搏监测(小应变);(G)所开发传感器用于可穿戴肢体运动监测(大应变)。

该研究成果以《面向可穿戴广域应变传感的仿生叠覆鳞片结构PEDOT:PSS》(Harnessing the wide-range strain sensitivity of bilayered PEDOT:PSS films for wearable health monitoring)为题发表于Cell姊妹刊物、国际材料领域顶刊 Matter 上。论文第一作者为BEBC刘灏特聘研究员，BEBC徐峰教授、香港大学张世铭助理教授以及美国加州大学洛杉矶分校Ali Khademhosseini教授为共同通讯作者，西安交通大学为论文第一单位和通讯单位。该研究成果是BEBC继成功开发内嵌三维螺旋传感结构(Small. 2018, 14, 1801711)、刚度空间调控水凝胶材料(Mater. Horiz. 2020, 7, 203-213)、室温成型导电聚合物水凝胶材料(Adv. Mater. 2020, 32, 1904752)、环境适应型凝胶传感器件(Small. 2021, 17, 2101151)之后，在软物质力学、智能柔性传感领域取得的又一重要进展。