傳感器是物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的核心元件?？纱┐鲬?yīng)力應(yīng)變傳感器可用于收集人體重要信號和人機交互，除實現(xiàn)精確感知所需的高靈敏度特征外，實際應(yīng)用對傳感器的穿戴舒適度、重量、可靠性和穩(wěn)定性均有非常高的要求，因此更敏感、小型化、集成化是目前傳感器的發(fā)展趨勢。將傳感器集成到傳統(tǒng)纖維中，利用其可直接編織到衣物的優(yōu)勢實現(xiàn)對人體局部形變的準確捕捉，是可穿戴傳感器件小型化和集成化的重要思路。

石墨烯-高分子復(fù)合纖維具有質(zhì)量輕、信號噪聲低、能耗低等優(yōu)點，可用于電阻型應(yīng)變傳感器。對于感知心臟跳動、脈博和眨眼等人體局部微小形變，其應(yīng)變在0-10%范圍，需要傳感器件在發(fā)生形變時結(jié)構(gòu)和電阻變化大，即高靈敏度，從而實現(xiàn)對信號的精確捕捉和對不同動作狀態(tài)的準確辨析。然而，石墨烯基纖維傳感器在0-10%應(yīng)變范圍內(nèi)的靈敏度一般較低（GF——0.1-50），如何提高石墨烯基纖維傳感器在小應(yīng)變范圍內(nèi)的靈敏度是一個難題。

為解決上述問題，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所丁古巧研究員課題組提出了通過結(jié)構(gòu)化設(shè)計減少石墨烯與高分子接觸面積來提高靈敏度的策略。他們利用石墨烯/聚偏氟乙烯/聚氨酯DMF體系在水相的相分離過程，制備了高分子納米球修飾的石墨烯多孔網(wǎng)絡(luò)纖維，這種結(jié)構(gòu)大幅增強了該纖維在發(fā)生形變時石墨烯片層之間的結(jié)構(gòu)變化，從而實現(xiàn)石墨烯基纖維靈敏度的顯著提高。其靈敏度因子值在0-5%應(yīng)變時為51，在5-8%應(yīng)變時達到87，通過編織集成，他們進一步驗證了該纖維在人體重要信號收集的準確性和對不同動作狀態(tài)分析的可行性。同時，這種新型石墨烯基纖維傳感器最低形變檢測限達到0.01%，較好的應(yīng)變-電阻線性關(guān)系可保證在信號后處理上的準確性，＞6000次的循環(huán)壽命有利于實際應(yīng)用的穩(wěn)定性。

將此纖維編織進紗布并作為眼罩，可實時監(jiān)測眼球的轉(zhuǎn)動等信息，未來可用于眼疾病人的監(jiān)測和睡眠監(jiān)測；同時，將該纖維集成到創(chuàng)口貼中，貼到手腕處，能夠識別手腕脈搏，而且脈搏信號能夠非常清晰表現(xiàn)出脈搏上的不同信號；該纖維也可編入手套，對不同手的彎曲進行感應(yīng)，表明其對于動作信號準確把控。正是由于小球結(jié)構(gòu)的存在，賦予該纖維比普通纖維更高的靈敏度，上述結(jié)果滿足可穿戴應(yīng)變傳感器的要求，體現(xiàn)了石墨烯基應(yīng)變傳感器件在智慧醫(yī)療、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

上述工作 “Porous Fibers Composed of Polymer Nanoball Decorated Graphene for Wearable and Highly Sensitive Strain Sensor”近期在線發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊Advanced Functional Materials（IF=15.621，https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201903732），第一作者為中科院上海微系統(tǒng)所博士生黃濤，通訊作者為丁古巧研究員和何朋博士。

丁古巧課題組長期致力于石墨烯材料的創(chuàng)新制備和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項目、青年項目（51802337，11774368和11804353）和博士后創(chuàng)新人才支持計劃（BX201700271）以及上海市科委項目（18511110600）的大力支持。

來源：中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 
編輯：chemical中文編輯部Annie