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  可穿戴傳感器在監(jiān)測人體運(yùn)動和健康方面發(fā)揮著越來越重要的作用。傳統(tǒng)型傳感器的傳感可靠性在人體穿戴時會受到人體微界面溫度和濕度變化的影響，導(dǎo)致身體區(qū)域傳感網(wǎng)絡(luò)的傳感精度不佳。為此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對牛角瓜纖維進(jìn)行石墨烯導(dǎo)電功能化改性，聯(lián)合使用牛角瓜纖維紗線和彈性紗線制備出應(yīng)變傳感器。所研制的傳感器具有響應(yīng)速度快（<60 ms）、耐久性高（>3000次）和透濕性好（水蒸發(fā)率≈2.03 kg m^-2 h^-1）等優(yōu)點(diǎn)。另外，傳感器的靈敏度可以通過改變寬度進(jìn)行簡便調(diào)控，尤其是該傳感器能夠在不同的溫度和濕度變化下保持穩(wěn)定的信號輸出。該傳感器可以用來構(gòu)建全身的傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時監(jiān)測人體運(yùn)動和健康信號，將在未來個性化醫(yī)療保健和公共衛(wèi)生管理方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

  2023年2月3日，蘇州大學(xué)現(xiàn)代絲綢國家工程實(shí)驗(yàn)室李剛教授、英國曼徹斯特大學(xué)材料學(xué)院Chair Professor李翼教授和牛津大學(xué)Botnar研究中心劉澤堃博士合作，設(shè)計開發(fā)了一種牛角瓜纖維基多功能可穿戴柔性應(yīng)變傳感器，能夠在反復(fù)變化的可穿戴界面微氣候環(huán)境下工作，并能夠穩(wěn)定可靠地檢測人體各項(xiàng)運(yùn)動信號。該項(xiàng)工作以“Calotropis Gigantea Fiber-based Sensitivity-tunable Strain Sensors with Insensitive Response to Wearable Microclimate Changes”為題發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊Advanced Fiber Materials上（DOI: 10.1007/s42765-023-00270-y）。蘇州大學(xué)碩士張君澤（現(xiàn)香港理工大學(xué)博士生）、蘇州大學(xué)碩士生劉靜為共同第一作者，蘇州大學(xué)李剛教授、英國曼徹斯特大學(xué)李翼教授和牛津大學(xué)劉澤堃博士為共同通訊作者。合作作者還包括東華大學(xué)李毓陵教授，中國科學(xué)院昆明植物研究所、紅河山地未來中心許建初教授、趙高卷博士，香港理工大學(xué)趙澤宇以及蘇州大學(xué)孫瑋瑋、劉競舸。該工作得到了科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、科技部國際合作司項(xiàng)目和中國紡織工業(yè)聯(lián)合會“紡織之光”應(yīng)用基礎(chǔ)研究等項(xiàng)目的支持。

  研究團(tuán)隊(duì)通過選取石墨烯功能化的牛角瓜紗線和彈性紗線作為功能性元件，開發(fā)了牛角瓜纖維基多功能可穿戴應(yīng)變傳感器。牛角瓜具有強(qiáng)大的生態(tài)修復(fù)和環(huán)境治理能力，是一種寶貴的農(nóng)業(yè)和紡織資源。其纖維天然抗菌，具有80-90%的中空結(jié)構(gòu)，相比于常見纖維（棉、麻和羊毛纖維），更加質(zhì)輕柔軟和保暖舒適，可作為可穿戴設(shè)備的理想材料之一。在應(yīng)變傳感器中，石墨烯功能化的牛角瓜紗線用作緯紗賦予了織物良好的導(dǎo)電性能，并且有效避免了傳感器經(jīng)向拉伸時的磨損（耐久性>3000次），彈性紗線用作經(jīng)紗保證了傳感器的可拉伸性（伸長率>100%）。可以通過改變織造寬度來簡便調(diào)節(jié)相鄰的導(dǎo)電牛角瓜紗線之間的接觸點(diǎn)的數(shù)量，從而可以調(diào)控應(yīng)變傳感器的靈敏度。由于傳感器表面含有極少的含氧官能團(tuán)，在不同溫度和濕度環(huán)境下仍然保持性能穩(wěn)定。該傳感器能夠在人體傳感網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時監(jiān)測人體的運(yùn)動情況，在個人健康管理和人機(jī)交互領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1. 牛角瓜纖維基可穿戴柔性傳感器的制備過程示意圖

 圖2. 牛角瓜纖維基可穿戴柔性傳感器在拉伸下的電響應(yīng)和相應(yīng)機(jī)制展示

 圖3. 牛角瓜纖維基可穿戴柔性傳感器在人體區(qū)域傳感網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時監(jiān)測應(yīng)用

  上述研究結(jié)果表明，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的牛角瓜纖維基多功能可穿戴應(yīng)變傳感器具有可調(diào)控的靈敏度、快速的響應(yīng)速度、優(yōu)異的機(jī)電性能和耐濕熱穩(wěn)定性，能夠用于人體區(qū)域傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，在個人和公共數(shù)字健康管理方面展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。該團(tuán)隊(duì)還獲得了2022年第八屆中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽全國總決賽金獎。該工作是項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)近期在應(yīng)變傳感器相關(guān)領(lǐng)域取得的最新研究進(jìn)展之一（Cellulose, 2022, 29, 3545-3556；Chemical Engineering Journal, 2023, 459: 141628）。

論文第一/通訊作者簡介：

  張君澤：碩士生、蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，研究方向?yàn)橹悄芄δ芗徔椘贰?/span>

  劉    靜：碩士生、蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，研究方向?yàn)橹悄芄δ芗徔椘贰?/span>

  劉澤堃：英國曼徹斯特大學(xué)材料學(xué)院博士、英國牛津大學(xué)博士后，研究方向?yàn)楣δ芑w維在生物、智能穿戴和能源環(huán)境方面的應(yīng)用。

  李翼：曼徹斯特大學(xué)材料系講座教授，英國皇家藝術(shù)制造與商業(yè)學(xué)會終身院士，英國國際紡織協(xié)會院士。 主要從事功能化纖維應(yīng)用于生物醫(yī)用紡織、功能紡織材料、智能穿戴和能源環(huán)境等方面的研究工作。已指導(dǎo)博士畢業(yè)生68余人，研究人員150余人。發(fā)表學(xué)術(shù)論文600余篇，其中SCI/CPCI論文451篇，引用16222次，h-index 67，i10-index 271，被公認(rèn)為智能功能紡織品的國際領(lǐng)先專家。 2013年入選湯姆森路透社“高被引科學(xué)家”名單。擁有80多項(xiàng)專利，其中46項(xiàng)在中國、美國和澳大利亞獲得授權(quán)，28項(xiàng)知識產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)移到工業(yè)界。受邀超過 130 次的主題演講/大會報告，在研究與轉(zhuǎn)化方面獲得了超過 53 項(xiàng)獎項(xiàng)。課題組主頁：https://www.research.manchester.ac.uk/portal/henry.yili.html 

  李剛：蘇州大學(xué)現(xiàn)代絲綢國家工程實(shí)驗(yàn)室教授、博士生導(dǎo)師。江蘇省第十五批“六大人才高峰”高層次人才、江蘇省“雙創(chuàng)計劃”科技副總?cè)脒x人才、江蘇省僑聯(lián)青年委員會委員、蘇州大學(xué)僑青會副會長。主要從事絲蛋白生物材料、醫(yī)用紡織材料和功能紡織品等跨學(xué)科方面的研究工作。香港理工大學(xué)博士，導(dǎo)師為曼徹斯特大學(xué)材料系Chair Professor李翼教授；美國塔夫茨大學(xué)訪問學(xué)者，導(dǎo)師為美國國家工程院院士David Kaplan教授。主要發(fā)表中英文論文100余篇，申請專利70余件和國際PCT專利2項(xiàng)，已授權(quán)專利45件。先后主持和參與國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃等項(xiàng)目10余項(xiàng)。曾獲“香港首屆創(chuàng)新大賽”冠軍、第八屆中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽全國總決賽金獎和全國紡織優(yōu)秀碩士論文指導(dǎo)老師等榮譽(yù)。課題組主頁：http://web.suda.edu.cn/tcligang/ 

  論文信息：Junze Zhang, Jing Liu, Zeyu Zhao, Weiwei Sun, Gaojuan Zhao, Jingge Liu, Jianchu Xu, Yuling Li, Zekun Liu, Yi Li, Gang Li. Calotropis gigantea Fiber-based Sensitivity-tunable Strain Sensors with Insensitive Response to Wearable Microclimate Changes. Adv. Fiber Mater., 2023. https://doi.org/10.1007/s42765-023-00270-y