國內(nèi)大學研究人員聯(lián)合研發(fā)熱管理柔性可穿戴應變傳感器

柔性電子器件因其可在彎折、扭曲、折疊、拉伸等情況下仍能保持穩(wěn)定的電學性能而成為當下科學研究的熱點之一。相比常規(guī)硬質器件，柔性電子器件在諸如柔性傳感器、可穿戴設備、能源存儲、植入醫(yī)療等領域有著廣泛的應用。與高導熱復合納米材料類似，柔性電子器件的制備也多是通過將導電納米材料 (例如納米線、納米管、石墨烯等)與柔性高分子基體復合來獲得。然而在器件反復形變過程中，導電納米材料之間較大的接觸電阻，以及納米材料與高分子基體之間的不良接觸等，均會使得柔性電子器件內(nèi)部積聚大量熱量。這些熱量如果不能及時從器件中消散，勢必會影響器件的性能和壽命，甚至會危及整個系統(tǒng)的安全。即對于柔性電子器件，除了優(yōu)異的力學性質和電學性質，穩(wěn)定的熱學性能同樣重要。目前的導熱絕緣復合材料盡管本身具有一定柔韌性，并且應用于LED等常規(guī)硬質電子器件的熱管理，但其在柔性電子器件領域的應用研究卻極少有人涉足。探尋恰當?shù)臒峁芾聿牧吓c結構，并應用于柔性電子器件領域，對其機理展開深入研究，對于新一代柔性可穿戴電子器件的發(fā)展顯得尤為重要。

日前，青島大學物理科學學院孫彬副教授與上海交通大學黃興溢教授、上海大學張統(tǒng)一院士等合作研發(fā)了一款具有高效熱管理能力的柔性可穿戴應變傳感器，并用于青島大學龍舟運動員的日常訓練動作監(jiān)測和分析。相關工作以“A high performance wearable strain sensor with advanced thermal management for motion monitoring”發(fā)表在《Nature Communications》上。第一作者為青島大學2020屆物理學碩士研究生譚岑孝，孫彬副教授、黃興溢教授和張統(tǒng)一院士為論文共同通訊作者。

研究者對該柔性可穿戴傳感器進行了獨特的結構設計：由石墨烯納米帶(GNRs)構成導電網(wǎng)絡在器件發(fā)生形變時，電阻信號發(fā)生變化，可以用來實時監(jiān)測人體運動情況;導熱層由摻雜了氮化硼納米片的熱塑性聚氨酯彈性體橡膠(TPU-BNNS)膜構成，可將器件使用過程中產(chǎn)生的熱量快速實時傳導到空氣中;熱絕緣層(TPU纖維膜)則可有效防止熱量在器件和人體皮膚界面累積，保障人體安全。同時，TPU纖維膜的多孔結構也保證了皮膚的透氣性。

圖1 柔性可穿戴應變傳感器結構及實物圖。

測試中，研究者發(fā)現(xiàn)，無論是TPU-BNNSs膜還是傳感器的導熱系數(shù)都會隨著BNNSs含量的增加而增加，但由于傳感器含有疏松的TPU電紡纖維層，因此其導熱系數(shù)不如含有相同質量BNNSs的TPU-BNNSs膜，但含有35%BNNSs的傳感器樣品導熱系數(shù)仍較純TPU致密膜封裝的樣品有242%的提高，這也導致前者的飽和工作溫度較后者有32%的下降。此外，研究者還對該傳感器在0-100%應變范圍內(nèi)的飽和工作溫度進行了觀測，在超過30個循環(huán)內(nèi)，其飽和溫度變化在3.5 °C以內(nèi)，顯示了較高的熱穩(wěn)定性。其原因在于TPU-BNNSs膜中的BNNSs相互搭聯(lián)形成導熱通路，雖然拉伸時部分BNNSs接觸面積變小，導致溫度小幅提高，但恢復形變之后大部分BNNSs又回到原來位置，修復了導熱通路。

圖2 (a) TPU-BNNS導熱層和傳感器的導熱系數(shù)。(b) 不同BNNSs含量的傳感器樣品飽和工作溫度比較。 (c) 傳感器經(jīng)受30多個反復拉伸(100 %形變)-復原過程時表面溫度變化曲線。(d) 拉伸-復原過程中由BNNSs間接觸面積變化而引起導熱通路變化示意圖。

龍舟競賽是我國的傳統(tǒng)體育項目。在龍舟比賽中，龍舟運動員以肩膀為軸，通過上肢運動劃動槳葉，從而驅動龍舟快速向前運動。因此，龍舟運動員的傷病主要發(fā)生在上肢，包括肩膀、肘部、手腕等關節(jié)，而其中大部分是因為疲勞引起。考慮到疲勞時容易產(chǎn)生動作變形，研究者們將該應變傳感器用于青島大學女子龍舟隊(2019年中華龍舟大賽總決賽季軍)隊員的日常訓練動作監(jiān)測。監(jiān)測時，傳感器被分別固定在運動員肩膀、手腕和肘部。結果表明，當運動員體力充沛時，固定于肩膀處的傳感器信號顯示有兩處峰值，分別對應了肩部的拉伸和關節(jié)旋轉;而當運動員感覺疲勞時，肩關節(jié)的旋轉信號減弱甚至完全消失，只剩下機械的拉伸活動。相反，運動員手腕處的傳感器信號顯示，相比于體力充沛時，感覺疲勞的運動員會不由自主的彎曲手腕以獲得足夠的推動槳葉的力量。此外，無論是肩膀、手腕還是肘部，當運動員體力不支時，傳感器信號的輸出強度均小于體力充沛時。

圖3 應變傳感器用于龍舟隊員訓練時動作監(jiān)測分析

對于可穿戴電子設備而言，器件的安全性至關重要，即器件成分本身不能對人體產(chǎn)生任何安全隱患。本傳感器中，導熱層和熱絕緣層都是由TPU構成，因此兩層材料有較好的互溶性，可以將GNRs和BNNSs牢牢限制在器件中，從而避免了因納米材料可能產(chǎn)生的毒性對人體細胞的損傷。

圖4 細胞增殖實驗證明該柔性可穿戴應變傳感器的安全性

該工作有望對柔性可穿戴器件的制備提供新的思路。

上述工作還得到了青島大學龍云澤教授、郭向欣教授、趙海光教授、上海交通大學江平開教授、復旦大學周兆才教授、上海大學江進武教授、蘇州大學趙燕教授和青島大學水上運動中心等的指導和無私幫助。