近期，我校与澳大利亚迪肯大学联合培养博士生在柔性可穿戴方面取得突破性进展，通过首次引入多孔植物丝瓜络的多层级纤维网状结构，解决了柔性传感器高性能和自供能的兼容性难题，显著提升了其传感灵敏度和电输出性能。相关工作以“Biomass-derived multifunctional 3D film framed by carbonized loofahtoward flexible strain sensors and triboelectric nanogenerators”为题发表在国际知名期刊《NanoEnergy》(该期刊是纳米能源领域权威期刊，属中科院分区材料类一区，影响因子19.069)上。论文链接https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.10812。第一作者为纺大-迪肯联合培养博士生唐文杨、付驰宇，通讯作者为徐卫林院士和夏良君博士。武汉纺织大学省部共建纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室为该文章的第一通讯单位。同时该研究成果还特别鸣谢武汉纺织大学纺织科学与工程学院蔡光明教授和夏治刚教授的指导与帮助。
柔性可穿戴设备在疾病诊断、运动检测、人机交互等领域具有广泛的应用前景。柔性传感器是智能可穿戴电子产品的关键组件，但始终受制于传统制备方法和基材，难以同时实现超高灵敏度、快速响应等基本要求；另外，自带可持续电源以确保传感器系统的连续工作，仍然是一个挑战。三维结构设计是一种有效的性能提升手段，但现有三维结构的制备技术具有流程复杂、重复性差、性能不理想等局限。研究小组受多孔植物丝瓜络结构的启发，利用其生物相容性、高碳含量、蜂窝式多层级纤维网状结构等优点，通过碳化和聚合物封装等简易技术(图1)，研发了一种基于碳化丝瓜络的一体化柔性膜，同时实现人体健康检测和能量收集的应用。
图1.多功能丝瓜络柔性传感器的制备流程
该丝瓜络传感器具有稳定快速的传感响应性能。拉伸过程中丝瓜络多层级纤维网状结构的变形、断裂和回复，使其电阻随着施加应变的增加而增大。该传感器具有超高灵敏度(GF=14,639.06)、超快响应时间(30ms)、超低检测极限(0.01%)和稳定的耐久性(2000次循环)，性能远优于其他生物质三维传感器。优异的传感性能使得该柔性传感器在超微生理信号检测、健康检测和运动管理等领域具有潜在的应用前景(图2a-f)。
除了优异的应变传感性能外，先进的可穿戴设备通常需要外部电源来驱动，因此自供能对于可穿戴系统尤为重要。同时，制备的柔性传感器还表现出优异的摩擦电性能(图2g-i)：19.3V开路电压、0.22μA短路电流和0.75nC短路转移电荷，并且其发电性能可通过调控样品面积进一步线性提升；该柔性传感器可以实现自供能以及无接触传感，并可以有效驱动各种电子设备。因此，该柔性传感器在智能纺织品、可穿戴设备和人机界面方面具有巨大潜力。
图2.(a-f)多功能丝瓜络柔性传感器的性能及应用；(g-i)多功能丝瓜络柔性传感器的TENG电输出性能
该研究小组长期从事生物质纤维材料的应用基础研究，该工作是小组近期关于三维多孔材料研究的最新进展之一，是其前期研究工作(Chemical Engineering Journal, 2023,452:139338; Chemical Engineering Journal, 2022,438:135600; Green Chemistry, 2022, 24: 4812-4823; SeparationandPurification Technology, 2023, 306: 122503; ACS AppliedMaterials& Interfaces, 2022, 24: 27955–27967等)的延续。通过该项工作的研究，进一步拓展了生物质纤维材料在智能可穿戴领域的应用。
