DOI: 10.1039/D0MH00716A
柔性可拉伸應變傳感器在人體生理活動、物體變形以及人機界面中具有廣泛的應用。然而，制備具有線性和優異壓阻信號響應的可拉伸應變傳感器仍然是一項挑戰。在此，研究者報告了一種簡便且可擴展的微結構設計策略，以生成模擬節肢動物的身體和龍蝦的尾巴結構的獨特節段分層纖維表面結構，以實現線性應變傳感響應。微納米級分段軟（熱塑性聚氨酯，TPU）-硬（聚苯乙烯，PS）結構的交替模量差異使得能夠啟動與有限元分析一致的顯著應變集中效應，從而調整傳感性能，例如對于30％以內的應變，線性度在0.48-0.99之間變化，且應變系數在5.25至23800之間。這種仿生結構的纖維傳感器在檢測人體皮膚表皮擾動、微小曲率變化、聲波振動以及在TPU核心添加熒光劑時的機械變色反應等方面具有潛在的應用前景。此外，由于具有應變放大效應的異質結構設計，該傳感器還能夠檢測各種類型的有機蒸氣，為設計用于可變人機界面應用的多功能柔性傳感器開辟了新途徑。
圖1.a）小龍蝦尾巴和鱗翅目昆蟲的照片。b）仿生交替分段纖維膜的制備示意圖，包括同軸電紡TPU芯和PS鞘（階段i），預拉伸定向纖維氈（階段ii），銀前驅體與纖維的相互作用（階段iii）和釋放預應變之前銀前驅體的還原（階段iv）。c-e）定向芯-鞘纖維的SEM圖像，c）預應變后TPU芯和分段PS鞘的頂視圖、d）側視圖和e）粗糙表面。
圖2.經過預拉伸處理和活性Ag層負載后的分段形態。a）結構化纖維（插圖）的分段結構和形態的放大SEM圖像，右側插圖分別為i）ASF-30、ii）ASF-50和iii）ASF-100。b）Ag負載過程的示意圖。i）乙醇的輕微溶脹作用；ii）苯環的π電子與銀的5s和5p軌道電子相互作用；iii）Ag NPs負載在PS和TPU的表面和次表面上。c）Ag負載后分段纖維的SEM圖像，左側的圖示分別為i）ASF-30、ii）ASF-50和iii）ASF-100。
圖3.a）具有不同預應變的ASF傳感器的相對電阻響應。b）用預應變繪制的線性和GF值曲線。c）控制纖維基傳感器的相對電阻響應。d-f）三種類型的電阻變化模式（下）和相應的SEM圖像（上），d）鞘PS段之間的Ag納米粒子橋接，e）PS/TPU表面的Ag納米粒子裂紋，f）在節段邊緣TPU與PS之間的內聚導電層。
圖4.分段結構纖維上應變集中的理論分析。a）有限元分析模型。b，c）CPU/SPU系統（b）和CPU/SPS系統（c）的有限元模擬分析，包括不同應變水平下的對數應變等值線：（i）0％，（ii）5％，（iii）15％。（iv）分別為分段結構過渡區域的放大輪廓圖像。d）根據應變繪制內聚部分（節點1）和TPU中心區域（節點2）的對數應變。e，f）基于圖3f（e）的SEM圖像進行的電勢分布模擬，以及沿纖維方向的電勢下降表示在標記有綠色矩形（f）的分段邊緣處的較大下降。
圖5.具有可調節感應能力的仿生結構纖維的應用。a）彎曲物體的曲率檢測（右）和相應的曲率計算示意圖（左）。b）ASFS感測敲擊壓力和相應的圖示模型（左）以及圖片（插圖）。ASFS c）區分人體的咀嚼和吞咽，d）記錄帶有相應插圖的可聽振動的節奏（左圖）。ASFS-100對不同蒸氣的響應信號（e）和相應的相對電阻幅度（f）：i）乙醇，ii）丙酮，iii）四氫呋喃，iv）二甲基甲酰胺。g）在ASF氈的PU芯中層壓FITC后，熒光強度在不同應變下發生變化。
