文章导读
随着柔性和可穿戴电子产品的快速发展，可承受大幅拉伸形变的功能纤维在智能可穿戴设备、软机器人和健康监测系统中的应用已成为研究的热点。其中，在高应变下保持良好线性度的电容式纤维传感器，可以通过电容变化直接观测系统的应变量，相较于其他类型的传感器，呈现出高线性度、快速响应和高稳定性的独特优势。然而，现有的电容式纤维传感器结构复杂、制备工艺繁琐，且存在传感或拉伸性能不佳的问题，单根纤维作为电容式应变传感器的研究较少，尚未得到广泛报道。
近期，四川大学机械工程学院王江新教授课题组在International Journal of Smart and Nano Materials上发表了题为“An ultra-stretchable fiber sensor with high linearity and durability via thermal drawing”的论文，介绍了一种通过热拉伸工艺制备的超弹性传感纤维。该纤维具有均匀的微腔结构，便于通过简化的制造工艺规模化生产弹性和功能性纤维。通过将液态金属（镓铟锡合金）结合到弹性纤维中，得到的SFCSS（超弹性电容式应变传感纤维）具有高应变系数（GF）0.91、卓越的线性度（R²=0.999）、快速响应时间（100 ms）和低滞后性（<3%），在高达1000%的应变下表现出稳定的性能，可以集成到可穿戴纺织品中用于指关节、肘关节和膝关节等人体部位的活动检测。
文章内容
SFCSS的直径控制在200到2000微米之间，纤维通过TDP（热拉拔工艺）（图1a（i）），使用聚苯乙烯弹性体（SEBS）制备纤维微腔结构，具有出色的稳定性和可拉伸性。图1c展示了使用TDP制造的连续纤维线圈，长度为6米。空心纤维包含两个腔室，可以填充液态金属来制造传感器的顶部和底部电极（图1a（iii））。由于液态金属具有金属导电性、流体顺应性和在高应变下的耐久性，为电极材料提供了稳健而高效的性能，确保其在高应变应用中的稳定性。图1a（iv）展示了制备完成后的SFCSS的光学图像，在TDP后，纤维基体的内部腔室和外部轮廓得到了很好的保持。图1a（ii）和1d描绘了引入液态金属前后纤维的横截面。图1b比较了SFCSS与其他文献中的电容式应变传感器，展现了其卓越的拉伸性能。
图1.SFCSS的制造工艺和传感性能：（a）SFCSS的制作过程：(i)通过TDP制备中空纤维的示意图；（ii）中空纤维横截面上的光学显微镜（OM）图像，显示其内部结构；（iii）将液体金属注入中空纤维管腔的示意图；（iv）SFCSS的光学照片。（b）SFCSS与其他参考文献中电容式传感器的性能（拉伸性和灵敏度）比较。（c）通过一次性TDP生产的6米长纤线的光学照片。（d）注入液态金属后的纤维横截面上的OM图像
图2和图3分别展示了SFCSS的响应性能和线性度。通过在不同的单轴应变下进行快速拉伸实验来评估SFCSS的响应时间，包括100%、200%、300%和400%的大应变，以及5%到50%的小应变。图2a和2c显示了传感纤维对不同应变的响应，其中响应时间为应变输入后SFCSS稳定输出所需的间隔。在高应变和低应变下的响应时间分别小于200 ms和100 ms。这种快速响可满足大多数的人体运动监测应用。此外，在静态加载条件下，电容没有明显的漂移（图2d），这突显了SFCSS在不同应变下保持一致性能的能力。
图2. SFCSS的响应特性：（a）不同应变下的响应。（b）200%应变下的放大图。（c）小应变下的响应。（d）静态加载性能。（e）步进应变响应
电气信号的线性对于可穿戴电子设备至关重要，非线性可能会引入显著的测量误差。具有高线性度的应变传感器可以提供准确的测量结果，无论是否存在预应变，减少错误信号，无需复杂的信号处理，简化了可穿戴传感系统。图3表明SFCSS在整个操作范围内保持优异的线性度。图3c和3d为电容变化的线性拟合，决定系数（R²）达到0.999，表明在不同应变范围内具有较高的线性。
图3. SFCSS线性评估: SFCSS在小应变（a）和大应变（b）范围内的线性表现。 SFCSS在小应变（c）和大应变（d）范围内的线性拟合曲线
图4. SFCSS在循环加载下的稳定性
机械耐久性对于长期进行拉伸和释放循环至关重要。通过在50%、100%、150%、200%和500%的应变下进行1000次循环测试评估SFCSS的机械耐久性（图4），表明了SFCSS在这些应变下循环加载过程中稳定的电容响应。
图5a和5b显示了SFCSS对弯曲和扭转时的电容响应。通过人体运动监测测试，进一步评估了SFCSS的实际应用。利用其简单的结构、高度顺应性和固有的可穿戴性，SFCSS可以轻松集成到可穿戴纺织品中，如手套、肘袖和膝盖防护，如图5所示。
图5. SFCSS的传感应用：（a）SFCSS在弯曲和扭转下的电容响应。（b）对1N、2N、3N、4N的响应，表明对压力的敏感性较低。（c）手指弯曲测试，显示关节弯曲角分别为0、45、90和125。（d）-（e）SFCSS监测手指弯曲和肘关节弯曲的照片。（f）SFCSS跟踪膝关节弯曲的照片，包括站立、坐和蹲。（g）肘关节弯曲测试。（h）-（i）由SFCSS进行的运动监测，包括静态姿势和动态动作，如行走和跑步
四川大学机械工程学院博士生伏胜康为本文第一作者，王江新教授为通讯作者。
课题组简介
王江新，四川大学机械工程学院教授，国家海外引进高层次青年人才，四川省杰出青年，入选全球前2%顶尖科学家。长期致力于柔性电子新型材料及应用的研究工作，通过对柔性器件系统性集成实现各类智能人机交互界面应用，包括软体机器人、可穿戴设备、智能医疗装备等。至今在柔性电子器件、智能传感器等领域发表论文/论著60余篇，包括Advanced Materials, Nature Communications, Science Advances, Materials Today等国际著名期刊，总引用次数 >11000。申请专利10余项，其中美国授权专利4项，PCT国际专利2项，中国授权专利3项。
识别二维码，阅读下载英文原文
引用：
Fu, S., Cheng, X., Liu, J., Tao, C., Xie, X., Chen, G., … Wang, J. (2024). An ultra-stretchable fiber sensor with high linearity and durability via thermal drawing. International Journal of Smart and Nano Materials, 1–16. https://doi.org/10.1080/19475411.2024.2441323
期刊介绍
International Journal of Smart and Nano Materials
名誉主编：
杜善义 院士，哈尔滨工业大学
Ken P. Chong 教授，华盛顿大学
主编：
冷劲松 院士，哈尔滨工业大学
International Journal of Smart and Nano Materials是哈尔滨工业大学和Taylor & Francis集团合作出版的开放获取英文期刊，拥有由知名学者组成的国际化编委团队。IJSNM 被Science Citation Index数据库收录，2023年影响因子为4.5。
IJSNM主要发表国内外智能材料、智能结构力学与设计、多功能纳米材料等领域的最新研究成果和前沿进展，涵盖智能材料与结构、多功能纳米复合材料、4D打印技术、仿生结构、柔性机器人、传感器、结构健康监测等领域，主要刊登具有创新性的综述论文（Review Articles）、研究论文（Research Articles）和短篇报道（Short Communications）等。
IJSNM所有文章接收后即可在线发布并获得引用，欢迎广大学者将最新研究论文投稿至IJSNM。
期刊主页：https://www.tandfonline.com/toc/tsnm20/current
投稿地址：https://rp.tandfonline.com/submission/create?journalCode=TSNM
编辑部联系方式：
Email：
ijsnm@hit.edu.cn;
ijsnm_journal@hit.edu.cn
Tel.: 0451-86413401
引用数据：
Web of Science (SCIE). EI、Scopus、Inspec等20多个数据库收录
4.5 (2023) Impact Factor
Q2 (2023) Impact Factor Best Quartile
6.3 (2023) CiteScore
Q1 (2023) CiteScore Best Quartile
处理速度：
8 days avg. from submission to first decision
28 days avg. from submission to first post-review decision
12 days avg. from acceptance to online publication
39% acceptance rate
识别二维码, 订阅 International Journal of Smart and Nano Materials期刊最新资讯。
识别二维码, 进入 International Journal of Smart and Nano Materials期刊官网。
