成果简介
柔性应变传感器在变形检测方面具有广阔的应用前景，并引起了极大的关注。然而，检测多向应变并进一步提高包括高灵敏度和耐用性的传感性能仍然是一个挑战。本文，苏州大学纺织与服装工程学院潘志娟教授团队在《Adv Mater Technol》期刊发表名为“Flexible and Anisotropic Strain Sensors Based on Highly Aligned Carbon Fiber Membrane for Exercise Monitoring”的论文，研究提出通过优化微流控纺丝工艺成功制备取向氧化石墨烯/聚丙烯腈复合纤维膜，并通过稳定和碳化获得高度取向的碳纤维膜（CFM）。
基于具有不同纤维排列方向的 CFM制备柔性应变传感器，结果表现出良好的传感性能和显着的各向异性机电行为。当纤维排列平行于应力施加方向时，传感器的应变系数 (GFs) 在 0-12% 应变范围内为 399，在 12-15% 应变范围内为 10 688。当光纤排列垂直于应力方向时，传感器在0-45%和45-50%应变下的GF分别为49.8和830.7。同时，柔性各向异性应变传感器具有优异的线性度、不同拉伸速率和应变水平下的动态稳定性、快速响应时间（< 300 ms）和良好的耐用性（超过 1000 次循环）。值得注意的是，已经证明各向异性应变传感器可用于检测人体运动和辅助羽毛球训练。
图文导读
图1、a) CFM 的制备过程示意图。b) 应变传感器的制备过程示意图。c) ∥ 方向的传感器、d) ⊥ 方向的传感器和 e) 弯曲传感器的照片。
图2、a) 不同浓度纺丝溶液的粘度。b) 不同转速对纤维直径和取向的影响。c）取向GO/PAN复合纤维膜的SEM。d) 原始膜和 CFM 的光学照片。e）稳定和碳化后纤维膜的拉曼光谱。
图3、a) ∥ 传感器和 b) ⊥ 传感器的传感原理示意图。c) ∥ 传感器在不同应变水平下的静态响应。d) ∥ 传感器在应变为 3.5% 时的响应和恢复时间。e) ⊥ 传感器在不同应变水平下的静态响应。f) ∥ 传感器在应变为 20.4% 时的响应和恢复时间。
图4、各向异性应变传感器的实际应用
图5、各向异性应变传感器用于羽毛球训练
小结
各向异性应变传感器的应用也得到了成功的证明，包括检测手腕和颈部引起的不同方向的变形。并且，这些传感器通过准确监测手部 FDIM 的运动，可纠正羽毛球训练中的动作和提高羽毛球成绩提供了巨大的新潜力。尽管单个传感器独立运行，但各向异性应变传感器可以通过在其他角度结合多个对齐的 CFM 来为多向传感开辟新思路，有望应用于动态人体运动的实时监测和渐开线人机界面。
https://doi.org/10.1002/admt.202100643
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