足部活動(dòng)可以反映人體的許多生理異常，因此運(yùn)動(dòng)步態(tài)成為健康監(jiān)測中的重要指標(biāo)。用于步態(tài)監(jiān)測的柔性傳感器的研究集中在高靈敏度、寬工作范圍、快速響應(yīng)和低檢測限等方面，但在彈性、抗菌活性、用戶友好性和長期穩(wěn)定性等方面仍然存在挑戰(zhàn)。

2024年2月28日，西安電子科技大學(xué)郝躍院士團(tuán)隊(duì)的常晶晶教授和李迎春博士作為通訊作者在《ACS Applied Materials & Interfaces》雜志在線發(fā)表了題為“Capacitive Pressure Sensor Combining Dual Dielectric Layers with Integrated Composite Electrode for Wearable Healthcare Monitoring”的工作。該研究通過設(shè)計(jì)雙介電層和一體化電極制備了一種低檢測限和寬檢測范圍、高靈敏、快響應(yīng)和高穩(wěn)定的柔性電容式壓力傳感器，并基于此集成可穿戴設(shè)備用于步態(tài)監(jiān)測，可以幫助老人、小孩和中風(fēng)患者警示摔倒風(fēng)險(xiǎn)和步態(tài)異常。該柔性壓力傳感器的雙介電層、一體化電極和微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)賦予了智能鞋墊優(yōu)異的傳感性能、回彈性、抗菌活性、佩戴舒適性及長期穩(wěn)定性功能；集成該傳感器制備的智能鞋墊還具有準(zhǔn)確辨別機(jī)械刺激的能力，可以通過足底壓力分布識(shí)別健康狀況，隨時(shí)隨地做用戶的健康管家。

【文章要點(diǎn)】

通過靜電紡絲技術(shù)和模板法制備了一種集成了雙層介電層和多層微結(jié)構(gòu)的柔性電容壓力傳感器，制作方法簡單、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、易于批量生產(chǎn)。其中，基于優(yōu)化的靜電紡絲網(wǎng)絡(luò)和微柱陣列制備雙介電層，顯著提高了傳感器的靈敏度、檢測范圍、彈性和抗菌性能；采用碳納米管(CNTs)、二維碳化鈦Ti3C2Tx (MXene)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)制備一體化柔性電極復(fù)合材料，并通過微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高傳感性能，在電導(dǎo)率、穩(wěn)定性、靈敏度和實(shí)用性方面具有協(xié)同優(yōu)勢(shì)。此外，將所報(bào)道的壓力傳感器與便攜式微型檢測儀集成設(shè)計(jì)了一種智能鞋墊，并將采集到的數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)?a target="_blank">手機(jī)，為實(shí)時(shí)監(jiān)測步態(tài)和無創(chuàng)檢測疾病提供了前沿的解決方案，為未來可穿戴設(shè)備和個(gè)性化醫(yī)療技術(shù)的提供參考（圖1）。

圖1壓力傳感器的構(gòu)建策略、傳感機(jī)理和應(yīng)用示意圖

采用有限元分析模擬了傳感器微結(jié)構(gòu)在壓縮過程中的應(yīng)力分布和應(yīng)力變化，發(fā)現(xiàn)在壓縮過程中，傳感機(jī)理可分為輕微、中等和大力度三個(gè)階段，分別對(duì)應(yīng)多層結(jié)構(gòu)傳感器中不同層的微結(jié)構(gòu)變化。文中設(shè)計(jì)了力電耦合平臺(tái)進(jìn)一步研究電容式壓力傳感器的傳感性能，研究發(fā)現(xiàn)該傳感器具有低檢測限和寬檢測范圍（1 Pa - 2 MPa）、高靈敏(靈敏度0.091 kPa?1)、快響應(yīng)（71 ms響應(yīng)時(shí)間）和高穩(wěn)定（6000 次穩(wěn)定循環(huán)）的特點(diǎn)（圖2）。

圖2 壓力傳感器的傳感性能研究

所開發(fā)的電容式壓力傳感器具有優(yōu)異的壓力傳感特性，可以集成到鞋墊中，用于識(shí)別步態(tài)和足底壓力分布，有助于糖尿病足和中風(fēng)等疾病的早期診斷和預(yù)警。但由于長期穿著沒有抗菌活性的鞋墊會(huì)促進(jìn)有害細(xì)菌的生長，因此良好的抗菌性能對(duì)智能鞋墊也非常重要。還通過在37℃下共培養(yǎng)革蘭氏陰性菌大腸桿菌(E. coli)和革蘭氏陽性菌金黃色葡萄球菌(S. aureus) 12 h，對(duì)TPU和TPU/AgNPs靜電紡絲網(wǎng)絡(luò)的抗菌性能進(jìn)行了比較研究，發(fā)現(xiàn)TPU/AgNPs電紡絲膜具有良好的抗菌活性，為智能鞋墊和其他可穿戴醫(yī)療保健產(chǎn)品提供優(yōu)異的候選材料（圖3）。

圖3 TPU和TPU/AgNPs靜電紡絲網(wǎng)絡(luò)的抗菌性能

基于該壓力傳感器優(yōu)異的性能，本文還制作了一個(gè)4×4的壓力傳感器陣列，可以檢測出不同物體在傳感器陣列上的壓力分布。還將8個(gè)壓力傳感器與便攜式設(shè)備集成在一起制成智能鞋墊，并通過藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)和提示到手機(jī)，可以隨時(shí)隨地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)監(jiān)測和疾病預(yù)警。例如，通過步伐的頻率變化進(jìn)行運(yùn)動(dòng)計(jì)數(shù)；通過觀察行走過程中足跟、足底和前足壓力分布的變化，反映中風(fēng)患者和糖尿病患者的步態(tài)變化；通過對(duì)壓力位置、頻率或幅度的突然異常信號(hào)感知，觸發(fā)跌倒警告，對(duì)老人和小孩的監(jiān)護(hù)非常有幫助（圖4）。

圖4 4×4傳感器陣列上不同物體的壓力分布以及由8個(gè)傳感器組成的智能鞋墊上的足底壓力分布

以上研究成果由西安電子科技大學(xué)李欣樾（碩士生）、西北大學(xué)劉彥楠副教授、西安電子科技大學(xué)丁雅蓉（碩士生）、張苗博士、林珍華教授、郝躍院士、李迎春博士和常晶晶教授共同完成。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、陜西省自然科學(xué)基金、數(shù)字醫(yī)學(xué)工程全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目的資助。