受人体皮肤启发，基于多孔碳纳米管海绵压力传感器，用于健康监测

摘要：柔性压力传感器在人体健康监测中发挥着至关重要的作用。此前研究人员已广泛报道了基于各种微结构的传统柔性传感器。然而，其高制造成本显著限制了其应用范围。本文，我们受人体皮肤棘层结构的启发，鲁东大学陈雪叶教授团队在《J. Mater. Chem. C》期刊发表名为“

1成果简介

柔性压力传感器在人体健康监测中发挥着至关重要的作用。此前研究人员已广泛报道了基于各种微结构的传统柔性传感器。然而，其高制造成本显著限制了其应用范围。本文，我们受人体皮肤棘层结构的启发，鲁东大学陈雪叶教授团队在《J. Mater. Chem. C》期刊发表名为“A flexible stretchable pressure sensor featuring a carbon nanotube porous sponge bionic–skin stratum spinosum electrode for health monitoring”的论文，研究通过极简工艺制备了一种高灵敏度、柔性且可拉伸的多孔海绵压力传感器。

该传感器模拟人体皮肤的工作原理，可感知压力和拉伸力。我们用柔性、可拉伸的生物仿生电极取代了传统的金属电极。电极表面的棘状层结构与多孔海绵相互作用，产生了双重传感机制的协同效应。这赋予了传感器高灵敏度（4.04 kPa−1）和宽监测范围（56 Pa–11.2 kPa），同时具备良好的可拉伸性，可在0–100%的范围内拉伸和回弹。最后，我们展示了其在人体运动健康监测和压力传感中的应用，表明其在人体健康监测中的广泛应用潜力，并为柔性可穿戴传感器研究提供了新策略。

2图文导读

图1、Schematic of the sensor structure and application: (a) bionic skin spines; (b) the overall structure of the sponge pressure sensor; (c) sensor application; (d) the pressure-sensitive response mechanism of the bionic skin spine structure; (e) the working mechanism of sensor compression and stretching.

图3、 Preparation and characterization of the sensor (a) surface structure of the porous sponge under a super-depth-of-field microscope at 500 μm (b) surface structure of the porous sponge under a super-depth-of-field microscope at 100 μm (c) cross-sectional structure of the porous sponge under a super-depth-of-field microscope (d) surface structure of the spine-like flexible electrode (e) schematic diagram of the overall side structure (f) physical appearance of the sensor (g) preparation process of the sensor.

图3、 (a) SEM – porous sponge surface structure (b) SEM – flexible electrode surface.

图4、 Performance tests of the sensor: (a) sensor compression and stretching; (b) sensitivity of the porous sponge pressure sensor; (c) current–voltage (I–V) curves under different pressure loading values. Relative current responses of the porous sponge pressure sensor under cyclic loading/unloading: (d) pressure range from 56 Pa to 11.2 kPa; (e) and (f) pressure responses of the pressure sensor at 56 Pa and 560 Pa; (g) stability under 2.24 kPa pressure; (h) relative current responses at different stretch ratios; (i) relative current response at 40% stretch ratio; (j) stretch sensitivity (GF) and linearity; (k) and (l) repeatability tests of the sensor after 2000 s of loading/unloading cycles; (m) schematic diagram of the experimental test.

图5、 (a) Human health test (b) “U” and “R” (c) “C” and “D” (d) “A” and “N” (e) press firmly (f) click (g) cough (h) stretch (i) make a fist (j) bend your fingers (k) stick to your cheek and speak (l) blow (m) shake hands.

3小结

本研究成功制备了一种基于碳纳米管多孔海绵的柔性可拉伸压阻式传感器，其结构模拟了皮肤的棘层，为柔性可穿戴传感器领域带来了新的突破。在器件设计方面，受人体皮肤启发，采用了夹层结构。上下两层柔性电极模拟皮肤棘层细胞的连接结构，负责感知并传导压力，而中间的多孔碳纳米管海绵则用于检测压力变化。电极和海绵上的棘状突起协同作用，使传感器能够同时检测垂直压力和水平张力，从而实现双重传感机制的协同效应。在制备过程中，采用盐牺牲模板法制备多孔Ecoflex碳海绵，并通过用牙签刺穿泡沫后覆盖电极浆料的方式构建柔性电极上的棘状突起。这一过程显著简化了制备流程并降低了成本，克服了传统仿生传感器制备复杂、成本高昂的问题。

通过这一简便的制备过程，传感器展现出卓越的传感性能。其在56 Pa至560 Pa的低压范围内具有4.04 kPa−1的高灵敏度，在560 Pa至11.2 kPa的范围内具有0.922 kPa−1的灵敏度，且在不同压力下电压与电流之间存在良好的线性关系。同时，在100%拉伸范围内，拉伸程度与电流变化之间的线性度达到R² = 0.98。在人体健康监测应用中，该传感器可贴合皮肤，将人体运动产生的压力和拉伸信号转换为电信号。其应用领域包括手部康复训练、呼吸系统健康监测、手指灵活性评估、肢体运动功能检测及语言康复等。该传感器可为医疗康复提供重要数据支持，协助制定个性化康复方案，并在体育训练、人机交互等领域具有潜在应用价值。该传感器为柔性可穿戴传感器在人体健康监测领域的应用开辟了新路径，具有广阔的应用前景和重要的社会意义。

文献：