摘要：第一作者：Xinyu Hong通讯作者：Guozhen Shen，Di Chen，Di Chen通讯单位：北京理工大学，中国人民解放军总医院DOI: 10.1021/acssensors.4c02716
第一作者：Xinyu Hong
通讯作者：Guozhen Shen，Di Chen，Di Chen
通讯单位：北京理工大学，中国人民解放军总医院
DOI: 10.1021/acssensors.4c02716
压力传感器可以对外部压力的刺激做出反应，并将其转换为捕获的电信号，在电子皮肤、智能机器人、医疗保健和人机交互方面具有广阔的应用前景。通常，根据不同的传感机制，压力传感器可分为压电式、压阻式、电容式和摩擦式传感器。其中，基于压阻效应的压阻传感器因其快速响应/恢复和柔性变形特性而受到广泛关注。到目前为止，已经研究了几种有效的策略，包括探索敏感功能材料、构建器件结构和优化制造方法，以提高压阻传感器的性能。据我们所知，气凝胶是一种可压缩且高弹性的材料。具有多孔结构和互连3D网络的气凝胶可以为压阻传感器提供更高的分辨率和更宽的压力范围，并已被广泛用作压阻传感器的传感材料。当组装成电容式传感器时，基于气凝胶的压力传感器在非常小的应变下也显示出极高的电容变化率，这为可穿戴设备的应用提供了潜力。
MXenes是一种新兴的二维层状材料，具有丰富的物理/化学性质，因其在传感器、催化、储能装置、环境处理、微波吸收和电磁干扰屏蔽方面的应用前景而引起了研究人员的兴趣。例如，基于MXene的气凝胶具有优异的柔韧性、亲水性、机械稳定性和可调电导率，在柔性压阻传感器领域具有巨大的潜力。最近，吴和他的合著者通过精心设计的预冻路线制备了具有3D球形微孔结构的MXene基气凝胶，该气凝胶具有1250 kPa–1的高灵敏度、低检测限、宽频率响应范围和优异的稳定性。通过单向冷冻铸造策略，Wen等人制备了具有三维互连分层微观结构的MXene/CNC/WPU气凝胶，其作为压力传感器具有224.42 kPa–1的优异线性灵敏度。Gao等人使用简单的冰模板冷冻技术合成了高度有序的混合3D MX/rGO气凝胶的层次结构。当制成压阻式传感器时，该器件显示出22.56kPa–1的极高灵敏度、快速的响应时间和良好的稳定性。与均质冷冻干燥工艺相比，双向冷冻干燥方法可以根据两个方向上存在的温度梯度精确控制气凝胶的微观结构，这证实了气凝胶具有更好的压缩弹性和传感性能。本文亮点
1. 本工作使用由双向冷冻干燥方法合成的具有负泊松比（ν=−0.14）的仿生蜂窝状Ti3x MXene/细菌纤维素（BC）气凝胶作为柔性压力传感器的活性材料，该传感器具有高灵敏度（20.14 kPa–1）、快速响应时间（100 ms）、优异的机械耐久性（5000次循环）和低检测限（对约0.022 g重的一粒米有反应）。2. 当组装到厚度仅为0.8毫米的气凝胶层的夹层结构弯曲传感器中时，基于气凝胶的设备具有宽角度检测范围（2.7-156.3°）、高灵敏度（0.47°-1）和良好的鲁棒性，证明了其出色的机电性能。3. 一种智能手套由固定在近端指关节上的五个弯曲传感器和作为信号处理单元的柔性电路板组成，用于识别形状，展示了其在人机交互领域的应用前景。
图文解析
图1. 用于人机交互的蜂窝状气凝胶系统的示意图。（a） 用于检测手指弯曲的具有负泊松比的蜂窝状气凝胶的图示。（b） 集成智能传感器在人机交互中的应用。
图2. （a） 显示气凝胶蜂窝状结构形成机理的示意图。（b） MXene/BC气凝胶在x-z平面上的SEM图像。（c） MXene含量为15%（i）、25%（ii）和35%（iii）的气凝胶的SEM图像。（d） MXene含量为25%的气凝胶在不同应变下的压缩-释放循环曲线。（e） 玻璃瓶下气凝胶的数码照片和不同变形下计算的泊松比。
图3. MXene/BC气凝胶的压力传感性能。（a） 不同压力水平下的相对阻力变化。（b） 不同压力水平下的灵敏度曲线。（c） 不同压力水平下的I-V曲线。（d） 2.5 kPa压力下的响应和恢复时间。（e） 压力传感器在5000次循环中具有10%压缩应变的稳定性性能。（f） 压力传感器检测限超低。插图是检测到的大米的数码照片。（g） 模拟结果显示了MXene/BC的应力分布。
图4. MXene/BC气凝胶传感器的弯曲传感性能。（a） 固定在不同直径的PET薄膜卷起圆柱体上的传感器的I-V曲线。（b） 传感器弯曲测试的单轴运动台示意图。（c） 不同角度传感器弯曲试验的数码照片。（d） 传感器对各种弯曲角度的相对电阻变化。（e） 弯曲传感器的灵敏度曲线。（f） 不同费率下的当前响应。（g） 在90°弯曲角度下的稳定性性能超过5000次循环。
图5. MXene/BC气凝胶传感器使该系统能够进行HCI。（a） 智能手套由近端指骨上的传感器和手套背面的柔性印刷电路板组成。（b） （i）FPCB放大图和（ii）FPCB的可弯曲性。（c） 材料识别和交互流程图。（d） 抓取不同直径的棍子时，相对阻力会发生变化。（e） 两种不同握棒方式的数码照片，（i）用拇指和食指握住棒。（ii）拇指仅用作防盗装置。（f） 手持一只红色美味的智能手套的数码照片。（g） 实时显示波形图。（h） 在VR厨房场景中手持红色美味。（i） 五个手指在拿不同食物时的相对阻力变化。（j） （i）的相应雷达图。
来源：华算科技