過(guò)去二十年來(lái)，技術(shù)創(chuàng)新的快速和指數(shù)級(jí)發(fā)展將人類生活與數(shù)字世界深度融合，這在很大程度上得益于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)（CPS）的廣泛采用。在物聯(lián)網(wǎng)和CPS最有前景的應(yīng)用中，可穿戴傳感器已成為一種變革性技術(shù)，固定在人體上（無(wú)論是軟皮膚、剛性關(guān)節(jié)還是各種服裝），將人類的刺激（如應(yīng)變、壓力、濕度、溫度）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)和CPSs反映呼吸率、心率、體溫和身體運(yùn)動(dòng)等關(guān)鍵信息，以判斷呼吸系統(tǒng)疾病、生活壓力和情緒、體育鍛煉量等。迄今為止，相當(dāng)多的研究集中在電阻式應(yīng)變傳感器的進(jìn)步上，并且已經(jīng)闡述了許多揭示應(yīng)變傳感材料電阻變化的基本傳感機(jī)制。代表性機(jī)制包括塊體材料的幾何形狀變化、導(dǎo)電膜/層的納米/微裂紋擴(kuò)展、納米級(jí)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)或微結(jié)構(gòu)接觸的斷開(kāi)/滑動(dòng)以及導(dǎo)電填料之間的隧道效應(yīng)。線性通常由線性回歸分析得出的決定系數(shù)（R2）量化，是應(yīng)變傳感器的關(guān)鍵參數(shù)。高線性表明應(yīng)變傳感器可以更精確地反映電信號(hào)與施加應(yīng)變之間的比例關(guān)系。然而，電阻式應(yīng)變傳感器在較寬的應(yīng)變范圍內(nèi)（如0-100%或更寬的范圍）通常表現(xiàn)出非線性電響應(yīng)或分段線性行為，這是由于導(dǎo)電路徑的微觀結(jié)構(gòu)變化和接觸故障引起的，因?yàn)閭鞲胁牧显诶爝^(guò)程中經(jīng)歷了從均勻狀態(tài)到非均勻狀態(tài)的形態(tài)轉(zhuǎn)變。非線性信號(hào)會(huì)導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確，從而增加設(shè)計(jì)成本和信號(hào)處理電路的復(fù)雜性，因?yàn)樾枰~外的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和補(bǔ)償。實(shí)際上，追求優(yōu)異的線性意味著擴(kuò)大傳感材料的線性響應(yīng)范圍。

為了提高傳感器的線性范圍，人們一直在努力構(gòu)建穩(wěn)定和高密度的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，以確保連續(xù)的導(dǎo)電路徑。例如，P?tschke及其同事開(kāi)發(fā)了一種由聚偏二氟乙烯和聚丁二酸丁二醇酯的不同晶相及其混合非晶相組成的共混基質(zhì)。非晶相局部化的多壁碳納米管（MWCNT）形成了一個(gè)高效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，在整個(gè)導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料（CPC）的屈服點(diǎn)附近保持穩(wěn)定。該策略將相對(duì)電阻變化的線性范圍（ΔR/R0，定義為[R-R0]/R0，其中R表示瞬時(shí)電阻（Ω），R0對(duì)應(yīng)于初始電阻（Ω。Liu及其同事設(shè)計(jì)了一種由Ti3C2TxMXene、Ag納米線（AgNWs）和液態(tài)金屬（LM）組成的高性能應(yīng)變傳感器，在0-100%的寬應(yīng)變范圍內(nèi)表現(xiàn)出卓越的線性（R2=0.98157）和3.22的GF（應(yīng)變因子，定義為ΔR/（R0ε），其中ε是應(yīng)變）值。該架構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是AgNW在MXene片材之間形成互連網(wǎng)絡(luò)，LM相保持較低的電阻，充當(dāng)搭接MXene/AgNW復(fù)合物的導(dǎo)電橋，并為整個(gè)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)提供穩(wěn)定的接口，有效地提高了傳感器的可拉伸性和線性檢測(cè)范圍。劉和他的同事在三種材料系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一種新型的雙應(yīng)變分層結(jié)構(gòu)：多壁碳納米管/聚氨酯（PU）薄膜，多壁碳納米納米管/明膠-聚乙烯醇（PVA）復(fù)合薄膜和多壁碳碳納米管/硅橡膠芯鞘纖維。在拉伸變形過(guò)程中，隨著一個(gè)導(dǎo)電層內(nèi)微裂紋的逐漸萌生，其電阻顯著增加。然而，并聯(lián)連接的完整層保持了連續(xù)的導(dǎo)電通路，有效地補(bǔ)償了受損的導(dǎo)電性。這種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確保了在擴(kuò)展的應(yīng)變范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而顯著降低了應(yīng)變傳感器中通常與裂紋擴(kuò)展相關(guān)的快速電阻上升。

纖維基材料（如長(zhǎng)絲、紗線、織物）具有良好的柔韌性和優(yōu)異的機(jī)械變形能力，如拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)，這使它們能夠很容易地集成并附著在人體、服裝和其他不平坦的物體表面上。導(dǎo)電組件的加入賦予了纖維基材料獨(dú)特的電響應(yīng)特性，從而顯著擴(kuò)展了它們作為可穿戴傳感器在各個(gè)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，包括但不限于實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)、精確運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和先進(jìn)的人機(jī)界面技術(shù)。與其他CPC類似，導(dǎo)電纖維也面臨著平衡靈敏度（以電阻變化為特征）和信號(hào)線性的基本挑戰(zhàn)。值得注意的是，具有固有靈活性的纖維基材料具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈兛梢酝ㄟ^(guò)先進(jìn)的紡織加工技術(shù)（如編織、針織、織造和熱粘合）被設(shè)計(jì)成不同的層次結(jié)構(gòu)，從而能夠定制其機(jī)電性能和功能特性。例如，胡和同事們通過(guò)在氨綸上纏繞和熱粘合尼龍絲設(shè)計(jì)了一種雙螺紋結(jié)構(gòu)，然后用PVA改性，用CNT浸漬六次，然后封裝Ecoflex。所獲得的應(yīng)變傳感器表現(xiàn)出寬的線性范圍（0-100%），R2為0.991。

本文亮點(diǎn)

1. 本工作為了抑制非線性電阻浪涌，提出了通過(guò)將一根聚吡咯/聚氨酯長(zhǎng)絲（外長(zhǎng)絲）與另外兩根（芯長(zhǎng)絲）編織成礁結(jié)結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建雙應(yīng)變自適應(yīng)導(dǎo)電通道。

2. 外絲和芯絲之間的結(jié)構(gòu)差異賦予了所獲得的礁結(jié)傳感繩（RKSR）對(duì)拉伸的雙重應(yīng)變響應(yīng)，從而在PPy層上引起差異裂紋擴(kuò)展。外絲和芯絲的平行連接為形成自適應(yīng)導(dǎo)電通道鋪平了道路，這使得RKSR的電阻線性增加。

3. RKSR具有優(yōu)異的線性（0-100%應(yīng)變的R2=0.998，0-600%應(yīng)變的R2>0.999）、令人滿意的檢測(cè)限（0.75-800%）、較高的相對(duì)分辨率（0.09375%）、快速的響應(yīng)時(shí)間（120 ms）和良好的往復(fù)穩(wěn)定性（10000次循環(huán)）。

4. RKSR還可以適應(yīng)各種拉伸速率（0.15-40 mm s-1），并可以集成到瑜伽服中，以監(jiān)測(cè)練習(xí)者在體式執(zhí)行過(guò)程中的姿勢(shì)順應(yīng)性和呼吸模式，這表明其潛在的多樣化應(yīng)用（例如，術(shù)后康復(fù)和運(yùn)動(dòng)評(píng)估）。

圖文解析

圖1. 設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、等效電路、制造和應(yīng)用以及工作機(jī)理的說(shuō)明。（a）RKSR在拉伸和被拉伸之前的結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的等效電路。（b）RKSR的制造和應(yīng)用。（c）具有自適應(yīng)導(dǎo)電通道的RKSR的工作機(jī)制。（d）RKSR的線性響應(yīng)描述。（e）RKSR的實(shí)物照片，展示了其出色的柔韌性和延展性。

圖2. RKSR（C2O1）在（a1–a5）0%、（b1–b5）25%、（c1–c5）75%、（d1–d5）125%、（e1–e5）175%和（f1–f5）225%應(yīng)變下的SEM圖像。

圖3. RKSR傳感器的應(yīng)變傳感性能。（a–d）在0–25%、0–50%、0–75%、0–100%的應(yīng)變范圍內(nèi)（拉伸速率為5 mm s-1時(shí)）的電阻變化和線性。（e）響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間（在20 mm s-1的拉伸速率下）。（f）電阻變化以及3%的增量應(yīng)變階躍（在5 mm s-1的拉伸速率下）。（g，h）RKSR對(duì)各種應(yīng)變和拉伸速率的反應(yīng)。（i）50%應(yīng)變下往復(fù)10000次循環(huán)的高循環(huán)耐久性試驗(yàn)（拉伸速率為5 mm s-1）。

圖4. 雷達(dá)圖將RKSR的傳感性能與報(bào)道的主要基于聚吡咯、聚氨酯或一些常見(jiàn)材料的最先進(jìn)應(yīng)變傳感器進(jìn)行了比較。

圖5. RKSR對(duì)（a）肘部、（b）手腕、（c）手指、（d）膝蓋、（e）點(diǎn)頭、（f）揚(yáng)起眉毛、（g）微笑和（h）呼吸的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)能力。

圖6. 帶有集成RKSR的瑜伽服，用于檢測(cè)練習(xí)姿勢(shì)。（a）電阻變化和（b）在拉伸至50%應(yīng)變30秒的四個(gè)循環(huán)中RKSR的應(yīng)力。（d）將RKSR集成到瑜伽服中的應(yīng)用場(chǎng)景的說(shuō)明。（e–g）三種練習(xí)姿勢(shì)的檢測(cè)信號(hào)。

來(lái)源：柔性傳感及器件