柔性可穿戴应变传感器具有舒适、可穿戴、可远程操作和及时反馈等优点，可以用于监测人体各种运动。通常，柔性应变传感器采用PDMS、PI、PET和PU等合成高分子作为柔性基底，因为它们具有优异的拉伸性、热稳定性和化学稳定性。然而，由于合成高分子的透气性和透水汽性较差，使得人体皮肤分泌的汗液难以挥发到空气中，消费者的穿着体验较差。因此，开发一种具有良好透气性和可降解的柔性基底并通过简单的制备工艺以获得兼具高灵敏度和宽工作范围的高性能可穿戴应变传感器具有重要科学意义。

马建中教授、宗延副教授利用二维材料层状双氢氧化物（LDHs）结合一维导电材料酸化-多壁碳纳米管（a-MWCNTs）在皮革表面及基体中构筑有效的导电通路，设计制备了一种可穿戴应变传感器（图1）。XRD结果证明a-MWCNTs/LDHs成功制备，扫描电镜图和透射电镜图证明a-MWCNTs和MgAl-LDHs成功负载在胶原纤维上。FT-IR结果表明a-MWCNTs或a-MWCNTs/LDHs的引入并没有破坏皮革中胶原纤维的三重螺旋构象。

图1 a-MWCNTs/LDHs/皮革传感器制备示意图

图2 MWCNTs (a) 和a-MWCNTs (b) 的TEM图像；MgAl-LDHs (c)、MgAlV-LDHs (d)、a-MWCNTs/MgAl-LDHs/皮革表面 (e) 和a-MWCNTs/MgAlV-LDHs/皮革表面 (f) 的SEM图像；(g) a-MWCNTs、LDHs和a-MWCNTs/LDHs的XRD图；(h) 皮革、a-MWCNTs/皮革、a-MWCNTs/MgAl-LDHs/皮革和a-MWCNTs/MgAlV-LDHs/皮革的傅立叶变换红外光谱

作者采用a-MWCNTs/MgAl-LDHs/皮革应变传感器监测人体关节弯曲等大应变运动，当穿着者在行走、奔跑、跳跃时，输出的电信号在峰宽、强度、频率等方面表现出不同的特征（图3a-3f）。除了监测人体关节弯曲等大应变运动外，a-MWCNTs/MgAl-LDHs/皮革应变传感器还能准确捕捉由其他应变产生的微小信号，如吞咽、鼓腮和张嘴等（图3g-3i）。从图中可以看出，重复进行这些动作时，电阻响应曲线中会出现相似的波形，说明a-MWCNTs/MgAl-LDHs/皮革传感器具有良好的稳定性与可重复性。

图3 使用MWCNTs/MgAl-LDHs/皮革传感器实时检测人体运动。不同关节运动对应的相对电阻变化：食指 (a)、肘部 (b)、手腕 (c)；正常行走 (d)、正常跑步 (e) 和跳跃 (f) 过程中的相对电阻变化；佩戴者吞咽 (g)、鼓腮 (h) 和张嘴 (i) 时传感器的响应曲线

综上，作者利用皮革及LDHs的既有优势，结合一维导电填料a-MWCNTs，制备的a-MWCNTs/MgAl-LDHs/皮革传感器具有高灵敏度（GF=7238.92）、宽检测范围（60%）、短的响应时间（270 ms）、良好的稳定性和可重复性。既可以监测人体关节的大应变运动，也可以识别细微动作。

该研究以“High performance strain sensor based on leather activated by micro-cracking conductive layer”为题发表于《Collagen and Leather》。本文的第一学生作者为陕西科技大学2021级硕士研究生程志杰，马建中教授和宗延副教授为共同通讯作者。

文章链接：

https://doi.org/10.1186/s42825-023-00134-6

本文转自Collagen and Leather公众号。