可穿戴传感器因其在监测人体运动和健康方面的独特优势而备受关注。然而，目前的一些传感器缺乏对人体穿戴微界面温度和湿度变化的传感可靠性，导致身体区域传感网络的传感精度不佳。为此，我们设计了具有芯鞘结构的蚕丝/聚氨酯复合导电纱线并制造出应变传感器。采用3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷作为偶联剂，运用石墨烯对蚕丝表面进行改性。所研制的传感器具有响应速度快（80 ms）、耐久性高（>1500次循环）、优异的线性传感特性（R²= 99.8%）和负电阻响应效应，尤其是传感器性能够耐受一定范围内的温度和湿度变化。该传感器可以用于构建全身的传感网络，用于实时监测人体动作和健康信号，将在未来个性化医疗保健和公共卫生管理方面展现出应用前景。

  2023年2月3日，苏州大学现代丝绸国家工程实验室李刚教授、英国曼彻斯特大学材料学院李翼教授和牛津大学Botnar研究中心刘泽堃博士合作，设计开发了一种具有芯鞘结构的蚕丝/聚氨酯应变传感器，能够在不断变化的可穿戴界面微气候环境下工作，并能够稳定可靠地检测人体各项运动信号。该项工作以“A negative-response strain sensor towards wearable microclimate changes for body area sensing networks”为题发表在国际学术期刊Chemical Engineering Journal上（DOI: 10.1016/j.cej.2023.141628）。苏州大学硕士研究生刘静、香港理工大学博士研究生张君泽为共同第一作者，苏州大学李刚教授、英国曼彻斯特大学李翼教授和牛津大学刘泽堃博士为共同通讯作者。该工作得到了科技部国家重点研发计划、科技部国际合作司项目和中国纺织工业联合会“纺织之光”应用基础研究等项目的支持。

  团队通过选取弹性芯纤维和石墨烯改性鞘纤维作为功能性元件，开发了一种蚕丝/聚氨酯复合结构应变传感器。蚕丝具有优异的力学性能、生物相容性和稳定性，可作为可穿戴设备的理想材料之一。蚕丝分子结构表面具有多个反应基团，可作为反应位点。使用 3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷作为偶联剂，可以增强石墨烯与蚕丝在羟基、羰基和环氧基团之间的键合。该传感器在施加拉伸变形后产生了负电阻响应效应，在整个感应范围内展现出优异的线性传感特性（R²=99.8%）。由于传感器表面含有极少的氧官能团，在不同温度和湿度环境下仍然保持性能稳定，通过将传感器与无线数据采集系统来实时展示人体传感网络，可用于长时间监测身体区域的活动和运动情况，在数字医疗保健领域具有广阔的应用前景。

图1. 传感器的制备过程示意图

图2. 传感器在拉伸下的电响应和相应机制展示

图3. 传感器的机电特性和传感稳定性

图4. 传感器在人体区域传感网络中的应用

  上述研究结果表明，该团队开发的可穿戴应变传感器具有优良的线性传感功能、机电性能和耐湿热稳定性，能够搭载无线信号采集系统用于人体区域传感网络的构建，在个人和公共数字健康管理方面展现了广阔的应用前景。该工作是团队近期关于应变传感器相关研究的最新进展之一（Cellulose, 2022；Advanced Fiber Materials, 2023）。

  论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.141628