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超快响应/恢复灵活的压阻式传感器，采用类

似DNA的双螺旋纱线，用于表皮脉搏监测仪

陈建明，张军，胡金莲，* 罗宁琦，孙凤新，Harun Venkatesan，赵倪，张远婷

摘要

纺织传感器的一个关键挑战是充分解决更广泛和更严格的应用的滞后问题。与将弹性聚合物集成到纺织品中的传统策略不同，这里通过纱线的结构设计来提供捻强力，从而批判性地解决了滞后问题。基于理论和建模，充分讨论了其基本机制，与实验数据非常吻合。令人印象深刻的是，压力传感器在恢复指数方面优于几乎所有报告的基于纺织品的传感器，这是指克服滞后（5.3%）和松弛时间（2 ms）所反映的滞后变形的能力。此外，传感器的优越性还通过其超快响应时间（2 ms）得到了证明。由于这些优点，该压力传感器被证明能够监测表皮脉搏，同时显示出推动中医脉搏诊标准化和现代化的巨大潜力。

1.引言

近年来，越来越多的人关注通过监测生理信号进行便携式、可穿戴式、长期医疗保健和远程医疗诊断的智能电传感技术。^[1]其中，表皮脉冲作为重要的身体信号，能够通过各种类型的脉冲波精确识别生物反馈，从中收集的数据可以很好地用于医疗或自我调节。^[2]提出了新一代压力传感器，以展示在适应涵盖体内，血液和脉搏压力的中等压力状态方面的灵活性，灵敏度，线性度和可重复性。^[3] 在用于脉冲检测的各种压力传感器中，基于纺织品的柔性压阻式在几十年中取得了很大的进步，使用户能够实时和连续地收集表皮脉冲信号。^[4]纺织材料具有良好的柔韧性和变形性，可承受剪切力、弯曲力和压缩力。联锁的纱线结构和纤维之间的间隙在暴露于外部负载时具有内在的极大可压缩性。然而，人们进行了许多尝试来抑制滞后效应，^[5]这是几乎所有纺织传感器中最突出和不可避免的问题之一。在本文中，我们提出了一种超快响应/恢复压阻式压力传感器，其包含用于表皮脉冲监测的捻纱结构。该传感器在灵敏度（0.57.）、响应时间（2 ms）、弛豫时间（2 ms）、线性度（4.9%）、变化（7.8%）、耐久性（6000次循环）和迟滞（5.3%）方面具有平衡的性能。自下而上的分层纺织结构设计由芯鞘纤维，捻制双螺旋纱线制成平针织面料。这种导电纺织品可以灵活地组装成粘合剂绷带中的传感器。与其他基于纺织品的传感器相比，目前的工作仅基于独特的双螺旋结构，但没有添加额外的弹性体，就呈现出令人印象深刻的快速响应/恢复。通过理论和仿真讨论了其基本机制，表明扭曲力在推动从变形状态快速恢复方面起着至关重要的作用。通过各种表皮脉搏检测，这里提出的纺织传感器有望为日益增长和扩大的医疗保健市场带来希望。

图 1.采用分层纺织结构组装柔性压力传感器.a–c） 由普通针织制成的织物示意图（a），双螺旋结构的捻纱（插图显示元DNA结构）（b）和具有芯鞘结构的纤维（c）.d–f） SEM 图像，显示相应织物 （d）、纱线 （e） 和纤维 （f） 的表面形态。插图显示光纤上 Cu 元素的 EDS 映射.g） 基于纺织品的夹层式压力传感器的设计。将织物与聚（石脑二甲酸乙二醇酯）（PEN）薄膜（绿色），封装凝胶（灰色），叉指电极（黄色）和聚酰亚胺（PI）基板（蓝色）融在一起。h） 织物传感器表现出良好的柔韧性.i） 组装在粘性绷带中的纺织传感器的原型。

2.结果

为了在灵敏度、可重复性、线性度、迟滞、响应/弛豫时间和工作电压方面实现平衡性能，复杂的结构设计对于织物传感器来说变得极其重要。如图1所示，制备了一种导电纺织品，其层次结构从芯鞘纤维，捻纱到普通针织织物。由于采用环形结构，针织图案使纤维变形，具有足够的弹性和自由体积。受元DNA结构（图1b）的启发，通过扭曲技术（图S2，支持信息）制成了类似的双螺旋构型，这被认为对纺织材料的导电行为至关重要。这种双螺旋结构还可以增强捻纱的机械性能（图S3，支持信息），从而形成稳定而坚固的织物。无论是通过浸涂^[6]还是化学气相沉积，^[7]都很难有效地改变纱线/织物内的纤维，因此，为了最终纺织材料的均匀和稳定的导电性，选择直接处理纤维而不是纱线/织物。与示意图相对应的是，通过SEM观察了织物，纱线和纤维的真实表面形态和结构（图1d-f）。正如EDS映射所证明的那样，发现铜纳米颗粒（Cu NPs）均匀地分散在纤维表面。

将制备的导电织物定制成特定尺寸，并与其他传感器单元集成以形成夹层结构，如图1g所示。然后，在一对定制的软Au电极上组装一层纺织层，这些电极先前沉积在薄的PI基板上。随后是纺织单元的凝胶封装，传感器结构被PEN薄膜覆盖。详细的传感器制造可以在我们以前的研究中找到。^[8，9]有趣的是，该压力传感器由于其柔软的组件而非常灵活（图1h），即使在大变形（例如滚动和挤压变形）下也没有观察到损坏（图S4，支持信息）。此外，传感器可以很容易地连接到不同的平台，例如粘性绷带（图1i）。该压阻器件的基本工作原理是，光纤之间和光纤/Au界面处的接触点在压力下会增加，从而导致整体传感器电阻降低。以下使用此传感器器件的实验将固定驱动电压保持在1 V以下。

如图2a所示，由未绞合纱线制成的织物传感器显示步进电流曲线，滞后大，线性度差，在此压力范围内具有两种不同的灵敏度（图S5，支持信息）。显然，这种传感器性能很难满足精确脉冲监测的要求。当施加的压力降低时，情况更糟，在所有三个连续的装卸循环中观察到离散数据（图2b）。假设纤维的自由位移和永久解缠/滑移分别发生在压缩和恢复过程中。

另一方面，当纱线经过捻紧处理时，相关的压力传感器改变了输出曲线，在高压下具有显着低滞后的线性度得到改善（图2c）。值得注意的是，在滞后、线性度和变化方面，随着负载压力的降低，观察到了显著的改善（图2d）。从KES织物压缩结果中，还观察到未扭曲和扭曲的织物存在很大差异（图S6，支持信息）。假设存在阈值压力，低于该阈值压力时，由于捻纱的双螺旋结构，传感器性能可以得到很好的控制。具体而言，我们的纺织压力传感器表现出独特的综合性能，平均灵敏度为0.57，滞后为5.3%，变化为7.8%，线性度为4.9%。实现高传感器灵敏度一直是近年来的核心目标之一。^[4，10]然而，由于检测限（LOD），超灵敏传感器可以在特定条件下使用。在这项研究中，我们通过调整纱线电导率和针织结构来有意识地选择有利的灵敏度，以避免在表皮脉冲监测过程中产生的不需要的噪音。纺织传感器获得的灵敏度被证明适用于在以下实验中有效和准确地检测脉冲，其检测范围为10 Pa至200 kPa。为了进一步证明双螺旋结构的功能，对带/不加捻纱线的传感器进行了比较，分别显示了变化，线性度和滞后的约7倍，2.5倍和6.5倍的值差（图2e，f）。通常，在加载-卸载周期中电信号的滞后是物理传感器的关键问题之一。通过从加载状态切换到卸载状态，通常需要几百毫秒才能将传感器从压缩/拉伸恢复到其原始状态。因此，基于这种器件的传感性能很容易受到迟滞的限制。滞后现象广泛存在于各种类型的传感器中，并且由于纤维之间的相互作用而变得不可避免，甚至在基于纺织品的传感器中更加显着。这项工作的核心价值之一是通过双螺旋结构追求低滞后。令人惊讶的是，在扭曲的情况下，迟滞的标准偏差降低了26倍，表明在三个完整的周期内稳定性要好得多。

未捻和捻纱的分层结构可以简化为理想的平行长丝结构和双螺旋结构，如图3a所示。平行灯丝结构的稳定性可以通过考虑灯丝束中的应力分布来解释。平行灯丝结构的空间位阻相互作用在束的边缘不平衡。从拓扑学的角度来看，平行包装中的细丝与捻纱中的长丝不同，在压缩过程中具有滑动的中心骨架，从而导致各种位错的可能性。对于捻纱，长丝的螺旋形貌沿轮廓形成平衡的应力分布，捻固过程对长丝纱线施加外部扭矩功，赋予长丝以经历各种变形，主要包括伸长，弯曲和扭转。通过对能量原理的数学分析来量化上述陈述，可以得出以下方程，即捻长丝纱线的弹性势能Um：

其中 k1、k2 和 k3 分别是与拉伸、弯曲和扭曲变形相关的常数。是灯丝的伸长率，是H平面的曲率角，是V平面的扭转角（图3b）。因此，沿径向矢量R的约束力F可以粗略估计为:

对于采用无绞长丝纱线的纺织传感器，即、和→0，约束力。沿径向趋向于零，如公式（3）所示。

图 2.独特的织物传感器特性，带/不带捻纱.a） 在800 kPa的压力下，记录了由未捻纱制成的纺织品传感器的三条上下转移曲线。.和 分别表示相同负载压力下多个循环中输出电流的平均值和偏差.b） 为相同类型的纺织传感器收集无序和波动的数据，这些传感器在30 kPa的减压下使用未加捻纱线.c） 纺织品传感器的典型装卸循环，由压力为 800 kPa 的捻纱制成。是输出电流的偏差，利用（满量程输出电流）对标准偏差进行归一化，是相同负载压力下向前和向后转移曲线的差值.d） 在 30 kPa 的压力下，使用捻纱的纺织品传感器连续三次装卸循环。传输曲线是线性的，数据点没有显着波动.e） 根据（b）和（d）的数据，对带/不加捻纱的纺织传感器的变化和线性进行了比较.f） 比较了（b）和（d）三个单独和平均周期的滞后，以显示存在捻纱的优越传感器性能。

因此，细丝像木桩（图S7，支持信息）一样在较低的压力下堆叠，允许自由的不可控的隔行或运动，但难以从变形状态中恢复。受天然DNA结构的启发，纺织传感器由具有双螺旋结构的层捻纱制成。从某种意义上说，DNA对生命的伟大之处在于独特而稳定的螺旋。

这种结构在我们的传感器系统中进行了仿生应用，为提高传感器性能做出了重大贡献。在双螺旋结构中，由于捻转引起的应力，细丝可以彼此紧密接触，从而有助于约束力,如等式（4）所示。因此，两种形式的约束力顺序为。

同样对于螺旋纱线，长丝和单纱线不仅受到平行长丝结构所示的接触点的压缩和维持，而且随着曲率角从增加到而发生弯曲变形，从而增加了纱线的势能如。基于最小能量原理，弯曲的单纱倾向于通过释放弯曲势能恢复到原始状态，这也有助于与平行长丝相比，层捻纱更容易检索初始形态，并且滞后效应最小。在物理上，这种变形由给定长度h处扭曲的灯丝的扩展视图显示，如图3c所示。基于几何关系，它通过假设纱线压缩变形中的伸长率很小来产生方程（5）-（8）。

重新排列方程（5）-（8），我们可以得到以下关系：

从方程（9）可以推断出，径向压缩有助于基于和的反向变化，促进捻纱线的扭转和弯曲之间的势能转换，以确保方程的恒等式。给定角度变化仅限于从0到pi;/4的范围，可以得到以下关系，

然后，

图 3.理论分析和仿真揭示了双螺旋结构的优越特征.a） 未捻纱和捻纱的理想分层结构.b） 在纱线中捻转的长丝的螺旋形貌的整个视图.c） 压缩过程中扭曲灯丝的扩展视图。d） 显示径向矢量的螺旋细丝的顶视图.e，f） 通过有限元模拟加料/未加捻纱线在上下料过程中的变形，对两根纱线进行10%压缩，然后对致动器板进行100%回收，模拟一个完整的装卸循环。在这里，捻纱中的多丝被简化为两股，并且观察到几乎完全恢复。对于未加捻纱线，单根长丝具有相对更大的位移自由度。在卸载过程中，由于细丝之间的摩擦和缠结，一些细丝无法完全恢复到原始状态。

参考方程（11）和（1），可以发现径向的压缩主要导致弯曲能量的增加，和扭转能量的降低。但是，前者的增加更为显着。因此，只要应用适当的扭曲，具有优异弹性的灯丝就可以为设计的压力传感器实现良好的恢复性能和低滞后。

此外，从零到的扭转角使相邻细丝之间的接触面积不同，这可以通过从捻纱中长丝的横截面视图的扁度来表示，

如等式（12）所示，细丝的横截面随着扭转角的增加而变平，即。层捻纱线的形成放大了长丝的缩放效应，这有助于两种捻制长丝纱线之间的包装更稳定，并且单纱线横截面具有显着的压平接触面积（图3a）。

FEM由于其强大的建模能力而被广泛用于机械分析。通过构建拓扑几何构件、分配材料系数和指定合理的边界条件，可以很好地实现预测仿真结果。为了支持实验结果和所涉及的理论，使用FEM来模拟纱线之间的相互作用，并进一步阐明双螺旋结构对滞后和松弛的优势。

本仿真将说明纱线的结构特征，这可以更好地了解在相同的压缩/回收过程中，未捻纱和捻纱的独特机械响应。 如图3a中的理论所示，捻纱线内部的细丝彼此紧密地包装在一起，并通过捻力和摩擦力控制，以防止它们自由移动。因此，这些细丝可以被视为两条线，并且单个细丝对外部压力响应的贡献可以在很大程度上最小化。如图3e所示，简化的模型在装载-卸载过程中表现出更可控的变形。值得注意的是，在10%压缩下几乎可以实现100%的回收，这归因于存储的扭曲能量施加的恢复力。该结果与图2d中的实验数据一致。

正如预期的那样，未加压纱线中的细丝有足够的自由度来响应外部压力而四处移动，并且在更高的压缩率下，这种现象变得更加明显（图S8，支持信息）。卸载后，由于相邻细丝之间的隔行和摩擦引起的永久变形，这些细丝无法完全恢复（图3f）。该仿真结果与传感器在线性度、变化和迟滞方面的不良性能非常一致，如图2a，b所示。

如图4a所示，纺织传感器的响应和松弛时间分别确定为2 ms和2 ms，表明其在高频应用中具有巨大的潜力。具有双螺旋结构的纺织传感器最迷人的特性之一是通过存储的扭曲力实现令人印象深刻的超快恢复。这种激活的恢复基本上抑制了滞后并减少了松弛时间。因此，我们将恢复指数（RI）定义为滞后（%）times;松弛时间（ms），然后根据响应时间对其进行调查，以将这

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