一、研究背景：
近年來，可穿戴柔性應(yīng)變傳感器在人機(jī)操控、柔性機(jī)器人和智能醫(yī)療等領(lǐng)域展示出巨大的優(yōu)勢和應(yīng)用前景。然而，目前應(yīng)用于電阻型應(yīng)變傳感器的無機(jī)納米材料面臨著靈敏度較低、結(jié)構(gòu)單一、制備復(fù)雜、成本較高等問題，這對可穿戴柔性傳感器件的進(jìn)一步發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。此外，基于可穿戴柔性傳感器的人機(jī)操控和人體微弱信號探測目前還有待進(jìn)一步研究和發(fā)展。
二、文章簡介：
針對以上問題，西北工業(yè)大學(xué)和南京工業(yè)大學(xué)黃維院士、朱紀(jì)欣教授（共同通訊作者）通過一種高效、安全、低成本的合成方法，實(shí)現(xiàn)了高性能金屬性VN/CNTs氣凝膠混合物的合成，相關(guān)成果發(fā)表在Nano Letters，第一作者為博士研究生張洪健。作者們制備得到了具備特殊的類毛刷三明治納米結(jié)構(gòu)和優(yōu)異電學(xué)性能的VN/CNTs納米材料，并將其與PDMS柔性基底相結(jié)合設(shè)計(jì)成適用于微小應(yīng)變的高靈敏度、高耐久度和高響應(yīng)速度的柔性應(yīng)變傳感器，并成功應(yīng)用于實(shí)時的人機(jī)操控系統(tǒng)和多種人體物理信號的探測。
三、文章內(nèi)容：
1、材料設(shè)計(jì)與“一步氮化和碳化”合成策略
首先通過第一性原理計(jì)算方法，對VN/CNTs的結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能進(jìn)行了預(yù)測。結(jié)果表明CNT更傾向于垂直于VN納米片表面生長并形成有序的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)擁有良好的電導(dǎo)率和VN-CNT界面的電子傳輸特性。實(shí)驗(yàn)通過凍干法和熱處理法合成由垂直CNT陣列修飾的VN納米片。合成方法簡單、安全，所合成的材料具有新穎的陣列結(jié)構(gòu)以及良好的純度和結(jié)晶性。
2、器件制備與優(yōu)異的傳感性能
采用簡便的刮涂法和轉(zhuǎn)移法，實(shí)現(xiàn)納米敏感材料與柔性基底的牢固結(jié)合，從而制備高性能柔性應(yīng)變傳感器。該材料具有獨(dú)特的類毛刷三明治堆疊結(jié)構(gòu)，使器件在微小應(yīng)變下可以通過VN/CNTs納米結(jié)構(gòu)之間的滑移與斷開，從而引起器件電阻的明顯變化。傳感器在小應(yīng)變下（<10%）表現(xiàn)出優(yōu)異的探測靈敏度（GF = 386），良好的響應(yīng)速度和耐久度。
3、器件在人機(jī)操控系統(tǒng)中的應(yīng)用
利用所制備的柔性傳感器對人體關(guān)節(jié)運(yùn)動的傳感特性，設(shè)計(jì)了基于VN/CNTs柔性傳感器的實(shí)時人機(jī)操控系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)人手對機(jī)械手運(yùn)動的同步控制。
4、人體微弱信號監(jiān)測與可穿戴舒適性評估
將所制備的柔性傳感器成功地應(yīng)用于對人體微弱信號的探測，如聲音識別（不同單詞、不同重音識別）、脈搏監(jiān)測（不同性別、不同生理狀態(tài)識別）及呼吸頻率監(jiān)測（深呼吸、正常呼吸、急促呼吸）等。此外，對柔性傳感器的可穿戴舒適性進(jìn)行了評估，如皮膚貼合性、散熱性等。
四、總結(jié)與展望：
作者采用一種新穎而簡便的原位催化合成方法，合成了具有三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的VN/CNTs氣凝膠混合材料。其中，所合成的VN/CNTs具有獨(dú)特的三明治結(jié)構(gòu)，顯著提高了電導(dǎo)率，可適用于應(yīng)變傳感器的導(dǎo)電材料。同時，作者使用微圖案模板的簡便方法研制了基于VN/CNTs的高靈敏度柔性應(yīng)變傳感器?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，在VN納米片上排列的重疊CNT陣列的滑動和分離，在10％的小應(yīng)變下顯示出386的高應(yīng)變系數(shù)，以及顯示出快速響應(yīng)和出色的耐久性（1000次循環(huán)）等優(yōu)點(diǎn)。而且，該傳感器在檢測身體移動、聲音和醫(yī)療信號方面表現(xiàn)突出，并成功地將所制備的傳感器應(yīng)用于機(jī)器人手實(shí)時操控系統(tǒng)中，在人機(jī)交互的商業(yè)化方面顯示出巨大的潛力。
五、致謝：
感謝國家自然科學(xué)基金（51872139）、江蘇省自然科學(xué)基金會（BK20170045）、海外高層次人才引進(jìn)計(jì)劃（千人計(jì)劃1211019）、江蘇省六大人才高峰項(xiàng)目（XCL-043）、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃（2019JLM-28）和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金的資助。
參考文獻(xiàn)：
Hongjian Zhang, Wenqi Han, Kui Xu, Yu Zhang, Yufei Lu, Zhentao Nie, Yuhang Du, Jixin Zhu*, Wei Huang*，?Metallic Sandwiched-Aerogel Hybrids Enabling Flexible and Stretchable Intelligent Sensor，Nano Letters, doi: 10.1021/acs.nanolett.0c00372.
