DOI:10.1016/j.nanoen.2020.105559
可穿戴設備中的可伸縮和可扭曲傳感器因其優異的柔性、穩定性和靈敏度而備受關注。自然界中的星鼻鼴鼠擁有一個柔韌且高度敏感的鼻子，其由數十個表皮附件或密集覆蓋著小器官的射線組成，這為研究人員制備高度敏感的傳感器提供了靈感。在此，研究者提出了一種策略以制備具有可伸縮和可扭曲結構的星鼻型傳感器，其中通過靜電紡絲和化學銀涂層制備鼻子的射線狀平行聚酰亞胺薄膜。傳感器最終封裝在PDMS中，由于采用了生物啟發平行膜的設計，其靈敏度得到了顯著提高。這種仿生傳感器具有超輕、超薄和高靈敏度（儀表靈敏度（GF）約4,000）的特性，確保完美貼合人體皮膚以實現拉伸、扭曲和壓力檢測功能。最后，通過橫向組裝兩個功能層，構建了一個全方位感應人體運動的各向異性傳感器。這項研究強調了仿生傳感器的有趣可能性，該傳感器集輕巧、薄、可拉伸、可扭曲和各向異性特征于一體，可用于監測人體運動和個人健康的可穿戴設備。
圖1.受生物啟發的可拉伸和可扭曲傳感器的示意圖。（A）星鼻鼴鼠的圖像。（B）在掃描電子顯微鏡下的星形，顯示有22條射線。（C）更高放大倍率圖像顯示鼴鼠器官覆蓋了一條射線。（D）示意圖描繪了用于人體全方位運動檢測的星鼻型可拉伸和可扭曲傳感器。（E）示意圖顯示了由平行聚酰亞胺薄膜制成的仿生全方位傳感器。（F）帶有鼻子射線狀平行聚酰亞胺薄膜的仿生傳感器的示意圖，用于響應電阻變化。（G）貼合在皮膚上的傳感器圖像。（H）SEM圖像顯示涂覆有銀顆粒的平行聚酰亞胺膜。
圖2.應變過程中的高靈敏度。（A-C）SEM圖像和示意圖顯示了經（A）0，（B）25％和（C）55％不同應變處理后，傳感器中Ag涂覆納米線的形態變化。（D）55％應變裝置在多次重復拉伸試驗中的電流變化。（E）55％應變裝置的電阻變化。（F）本研究中的應變仿生傳感器與其他文獻中的GF值比較。
圖3.彎曲和扭曲特性的表征和模擬。（A和D）示意圖顯示彎曲（A）和扭曲（D）的過程。（B和E）不同程度的彎曲（B）和扭曲（E）測試。（C和F）通過COMSOL Multiphysics對傳感器在彎曲（C）和扭曲（F）模式下的應變分布進行模擬。（G）所制備的應變傳感器的等效電路模型。（H和I）比較在不同應變（H）和扭曲（I）下傳感器的計算電阻值和實驗電阻值。
圖4.用于運動檢測的仿生傳感器的表征。（A）在走路、跑步和跳躍時檢測膝蓋和肘關節的運動。（B）長期勵磁測試中的電流變化，表明器件的穩定性。（C）演示可伸縮傳感器用作慣用右手乒乓球運動員的全方位運動檢測器。（D-G）安裝在肘部（D），腕部（E），膝蓋（F）和腳踝（G）上的傳感器，用于檢測乒乓球運動員的身體動作。
圖5.用于全方位運動檢測的仿生各向異性傳感器。（A）演示各向異性傳感器（由相互交叉裝配的兩個可拉伸和可扭曲傳感器組成）用作肩關節、肘關節和腕關節的潛在全方位運動檢測器。（B）通過COMSOL Multiphysics模擬全方位傳感器沿不同方向彎曲時的應力分布。（C和D）當肩上的全方位傳感器以不同角度彎曲時，信號1（C）和信號2（D）的電流變化。（E）在不同彎曲角度下信號1與信號2的比值。
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