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  柔性類皮膚觸覺傳感器是受皮膚功能啟發的一種電子器件，可以用在人機交互、健康監測、智能傳感等領域。近年來三維多孔材料在應用于柔性壓力傳感器中具有突出表現，但存在壓力靈敏性不高、功能單一、制備復雜等缺點。

  清華大學馮雪教授課題組報道了一種通過靜電紡絲和高溫碳化制備的一種三維多孔碳納米纖維網狀材料，其不僅具有優異的力學性能和壓阻特性外，還同時兼備超輕、疏水等特性，拓寬了此類材料在柔性類皮膚傳感器中的應用。利用此材料制備的壓力傳感器具有高的壓力靈敏性，可以探測與人體壓力相關的生理參數，例如脈搏、發聲、呼吸和關節活動。

圖1.通過靜電紡絲和高溫碳化制備碳納米纖維網狀材料

圖2.柔性類皮膚壓力傳感器的實物圖和示意圖

  通過靜電紡絲直接生成三維絮狀物，然后高溫碳化成三維多孔壓阻材料，打破了靜電紡絲成薄膜的局限思維，得到的材料具有優異的力學性能，展現出良好的柔性可以實現彎曲和扭轉，并且能達到95%的壓縮會彈性；優異的壓阻特性使其能夠作為壓力傳感器使用，異面電極引線可以實現高達1.41kPa^-1的壓力靈敏性，遠高于同類三維壓阻材料的靈敏性；同面電極引線方式也能實現較高的靈敏性，可以減少在其作為壓力傳感器循環工作時皮膚和電極接觸產生的破壞。除了優異的力學性能和壓阻特性之外，同時還兼備超輕性、疏水性、低的導熱系數，拓寬其作為電子皮膚的應用范圍，例如疏水性可以保證器件在濕潤環境下工作，超輕性可以使傳感器可以探測到氣流吹動。利用此材料設計了一種類皮膚柔性壓力傳感器，通過半浸潤碳納米纖維泡沫，使其一半露出一半浸潤在Ecoflex中，就好像人體的皮膚，露出部分相當于人體汗毛可以感知到輕微壓力和氣流吹動，浸潤的部分類似于人體皮膚使器件更加牢固穩定，引線電極類似于人體神經用于傳輸信號；同時還提出了一種用于側向力方向識別的陣列傳感器設計思路。

圖3. 與壓力相關的生理健康參數監測：聲音識別、探測脈搏

  利用該材料展現出的優異力學性能和壓阻特性制備出了具有高壓力靈敏性的類皮膚壓力傳感器，可以探測微小變形和壓力，如貼在手臂橈動脈可以探測脈搏、貼在鼻孔下可以監測呼吸、貼在喉嚨處可以探測發聲時的微小振動從而實現聲音識別功能；同時還能探測比較大的變形，如手指關節處的彎曲活動等。此論文研究對生理健康監測具有重要意義。該成果以“Fabrication of highly pressure-sensitive, hydrophobic, and flexible 3D carbon nanofiber networks by electrospinning for human physiological signal monitoring”為題在線發表在《Nanoscale》期刊上。

  論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/nr/c8nr08341j#!divAbstract