用于监测生理力学信号的液态金属纤维基可穿戴传感器

目的纤维基传感器因其良好的佩戴舒适性在生理力学信号监测领域受到较多的关注,但如何设计出高灵敏度、稳定性的传感器仍是一个挑战。本研究拟设计一种液态金属(liquid metal,LM)多孔纤维基应变、压力传感器,用于人体生理信号监测、压力监测以及热疗辅助康复设备。方法将氯化钠颗粒与热塑性聚氨酯(thermoplastic polyurethane,TPU)溶液的混合液、TPU溶液和去离子水依次作为湿法纺丝的外、中、内层纺丝液,采用同轴湿法纺丝获得中空双层纤维。再将LM注入纤维的中空部分,得到由外到内为小孔TPU层、大孔TPU层和LM导电芯层的纤维。对传感器的灵敏度、稳定性及抗疲劳性作了系统性的检测。结果该传感器可以适应不同大小和施加速度的压力以及应变刺激,具有良好的稳定性和抗疲劳性,可承受1000次以上压力和应变刺激的加载-卸载循环。在0~0.06 MPa和0.06~8 MPa的压力范围内,纤维基压力传感器的灵敏度分别提高了5倍和3倍。其还可作为电加热器,在0.8 V电压下30 s内即可加热至80℃以上。结论本研究设计的传感器的多孔结构显著提高了压力传感的灵敏度。该传感器还具有良好的稳定性和抗疲劳性的优点。其作为电加热器,在较小电压下短时间内即可加热至理想温度。本研究设计的传感器为生理力学信号监测及康复工程提供了可行的策略。