纯棉织物变身可穿戴电子器件

注：文末有研究团队简介及本文作者科研思路分析

中国是世界上种植棉花较早的国家之一，纯棉织物是人们最喜爱的服装面料之一，其不仅产量丰富、价格亲民，而且穿着舒适。那么，有无可能使纯棉织物服务于未来的可穿戴智能设备和虚拟现实技术呢？近日，清华大学的张莹莹（点击查看介绍）团队通过将纯棉织物进行高温处理，制备了一种高性能的柔性应变传感器。

近年来，健康和医疗检测引起了越来越多的关注，智能可穿戴电子设备也随之成为科学研究的热点。追求可规模化制备的、绿色环保、低成本、高性能的柔性电子器件成为一种重要趋势。柔性可穿戴应变传感器是柔性电子器件的重要部分，在人体运动检测、医疗健康等领域具有重要的应用价值。目前可穿戴应变传感器的材料主要基于金属纳米线、纳米膜、石墨烯、碳纳米管等物质，存在制备方法较为复杂、成本高及潜在毒性等制约因素。另外，值得注意的是，目前报道的柔性应变传感器很难兼具较大的检测应变范围和高的检测灵敏度，这限制了其在人体全尺度应变检测方面的应用。

清华大学团队开发的棉织物基柔性应变传感器很好的弥补了上述缺憾。众所周知，棉花加捻后可被编织为各种编织结构的全棉布料，然而，棉织物并不导电，因此，不能用于电子器件。他们通过程序控制的高温处理，可将全棉织物转化为具有高导电性的碳织物，所得到的材料具有多级结构（石墨化微晶—微米级纤维—宏观编织结构）。将其包埋于柔性聚合物中，即可制备为柔性电子器件。例如，以平纹棉织物作为原料获得的碳织物基柔性器件在应力作用下可沿某一方向形成均匀的胡须状“触角”结构，这些“触角”在应力反复施加和释放过程中可进行接触和分离，引起电阻变化，从而可以灵敏地检测应力。值得注意的是，这种“触角”状的导电结构使其能够检测低至0.02%的微小应变，并能高灵敏地（127.6 kPa⁻¹）感知轻至0.3 mg的泡沫颗粒。所获得的应变传感器具有超过140%的应变检测范围，同时展示了优异的灵敏度（灵敏系数在0-80%和80%-140%的应变范围分别达到24和64）。该器件的重复性、稳定性、迟滞性等方面也同样表现了优异的性能。

图1. 由棉织物制备柔性可穿戴应变传感器。图片来源：Adv. Funct. Mater.

该传感器优异的性能使其可应用于检测人体微弱生理信号所引起的形变，如脉搏、心率、语音识别、脸部微表情识别等；也可用于人体关节运动等大应变的检测，如运动检测、手部动作识别等等。鉴于其简单绿色的制备方法和优异的性能，该棉织物基柔性可穿戴应变传感器有望广泛应用于健康与运动监测、人机交互、虚拟现实等领域，从而服务于可穿戴器件的发展。

图2. 传感器的应用：语音识别（左）和脉搏监测（右）。图片来源：Adv. Funct. Mater.

这一成果近期发表在Advanced Functional Materials 上，文章的第一作者是清华大学博士研究生张明超和王春雅。

论文信息：

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201604795

Carbonized Cotton Fabric for High-Performance Wearable Strain Sensors

Mingchao Zhang, Chunya Wang, Huimin Wang, Muqiang Jian, Xiangyang Hao, Yingying Zhang

Adv. Funct. Mater., 2017, 27, 1604795, DOI: 10.1002/adfm.201604795

张莹莹博士简介

张莹莹，清华大学化学系副教授。2007年于北京大学取得博士学位，2008年至2011年在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室工作，2011年7月起就职于清华大学。

研究领域是面向柔性可穿戴器件的功能碳材料的制备、性能与应用研究。在相关领域发表SCI论文50余篇，包括以通讯作者发表的Nat. Nanotechnol.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、JACS、Nano Letters等。获授权发明专利7项，参与撰写两本英文书籍。研究成果曾被Nature Nanotechnology、C&EN、Scientific American、Phys.org、NanotechWeb、Nanowerk、《科技日报》、《参考消息》等专题报道。曾获得首届中国化学会纳米化学新锐奖，2014年国家优秀青年科学基金等。

http://www.x-mol.com/university/faculty/12061

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，我们的研究兴趣是研究开发可用于柔性可穿戴设备的新型碳材料。众所周知，纯棉布料来源于天然棉花，是最受大众喜爱的人体舒适度高的面料之一。但是因其不具有导电性，不能被用于柔性电子器件。我们的目标很简单，就是通过将其进行加工处理，使其转化为导电的材料，从而使这种传统的服装面料可用于可穿戴电子设备。幸运的是，可从市场上廉价获得的具有各种编织结构的棉布在经过我们设计的高温处理程序后，可转化为性能优异的柔性应力传感器，从而用于人体全尺度上的应变检测。这为绿色环保、低成本、高性能的可穿戴器件的制备提供了一条理想的途径。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本项研究中最大的挑战是如何控制棉布碳化过程，找到优化的碳化条件，以获得完整的、具有优异性能的碳化棉布。在这个过程中，我们团队在高温反应过程方面的经验积累起了至关重要的作用。

此外，这项研究属于交叉学科的研究，其中需要不少电子器件方面的背景知识，而我们的团队主要来源于化学和材料专业，因此在电子器件方面存在知识储备不足的挑战，未来希望有相关领域的研究者一起合作将研究推动到更高的层次。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：该柔性可穿戴应变传感器在人体全范围检测方面表现优异，因其具有很高的灵敏度，因此可灵敏的检测脉搏、呼吸、微表情等微弱运动，又因能承受很大的拉伸形变，可以检测关节运动等大尺度形变，因此可广泛用于人体健康与运动监测、智能机器人、人机交互、虚拟现实等方面。我们相信这项研究成果为相关可穿戴电子设备的设计与制备提供了一种性能优异的、并且可产业化制备的传感器，将对相关领域的发展产生推动作用。