用于监测体内、血液和脉搏的新一代超快响应/恢复柔性压阻传感器

近年来，人们越来越关注便携式、可穿戴式、长期医疗保健和通过监测生理信号进行远程医疗诊断，其中，表皮脉冲作为一种重要的身体信号，收集到的数据可以很好地用于医疗或自我调理。因此，用于监测体内、血液和脉搏的新一代压力传感器应运而生。由于纺织材料具有良好的柔韧性和变形能力，以纺织为基础的柔性压阻型传感器能够实时、连续地采集表皮脉冲信号。一般来说，电信号在加载-卸载周期中的滞后几乎是所有纺织传感器中最突出和不可避免的挑战。

为此，香港城市大学胡金莲教授团队受DNA螺旋结构的启发，提出了一个具有复杂扭曲纱线结构的超快响应且恢复式柔性压阻传感器用于表皮脉冲监测，并从理论和模型两方面对其机理进行了全面的探讨，相关工作以“Ultrafast-Response/Recovery Flexible Piezoresistive Sensors with DNA-Like Double Helix Yarns for Epidermal Pulse Monitoring”发表在《AM》。

【纺织传感器的制备】

该研究团队受DNA双螺旋扭曲结构的启发，采用包芯纤维、双螺旋绞纱和平纹针织物，自下而上地设计了分层织物结构。这种双螺旋结构不仅是纺织材料导电的关键，还可以提高加捻纱的机械性能，从而形成稳定、结实的织物。准备好的导电织物被裁剪成特定的尺寸，并与其他传感器单元集成形成三明治结构，然后，将纺织层组装在一对定制的软金电极，最后对纺织单元进行凝胶封装，使传感器结构被PEN膜覆盖，即得到理想的纺织传感器并且它可以轻而易举地附着在创可贴等表面工作。

图1 利用层次化纺织结构组装柔性压力传感器。a)平针编织织物示意图；b）双螺旋结构的捻线(插图显示的是元DNA结构)； (c) 具有芯鞘结构的纤维 ；d-f)显示织物、纱线和纤维的表面形态的电镜扫描图；g)夹芯式纺织压力传感器设计；h)织物传感器具有良好的柔韧性；i)在创可贴表面组装的纺织传感器原型。

【纺织传感器的性能】

通常，用非捻纱制成的纺织传感器在这个压力范围内表现出较大的滞后和较差的线性，很难满足精确脉冲监测的要求。然而，经加捻处理后，纺织传感器改变了输出曲线，在高压下呈现良好的线性关系，滞后明显降低，低压下的稳定性也显著改善。该团队设计的压力传感器显示了独特的综合性能，平均灵敏度为0.57 kPa −1，滞后率为5.3%，变异系数为7.8%，线性度为4.9%，实现了较高的传感器灵敏度。

随后，研究人员调整纱线电导率和针织结构来选择较好的灵敏度，以避免表皮脉冲监测过程中产生的噪声，发现在传感范围为10 Pa ~ 200 kPa内，织物传感器的灵敏度可有效、准确地检测脉冲压力。

【DNA双螺旋结构在纺织传感器中的作用】

为了进一步论证双螺旋结构的功能性，研究人员对加捻纱和不加捻纱的传感器进行了比较，结果表明，加捻纱的变化量、线性度和滞后效应分别是加捻纱的7倍、2.5倍和6.5倍，在三个完整循环中可保持较好的稳定性，该现象说明可以通过双螺旋结构实现低滞后。

为什么DNA的双螺旋结构可以实现低滞后呢？

从拓扑学和能量原理来分析：实际上，无捻纱和捻纱的层次结构可以简化为理想的平行长丝结构和双螺旋结构，细丝堆叠像木桩，平行填充中的纤维在压缩过程中有一个滑动的中心主链，它允许自由无法控制的交错或运动，导致了其错位的几率增大。而对仿生DNA螺旋结构的捻丝而言，长丝的螺旋形态沿外形形成均衡的应力分布，加捻过程对长丝施加外部扭矩功，使长丝发生各种变形，主要包括伸长、弯曲和扭转。在双螺旋结构中，由于加捻引起的应力作用，长丝之间能够紧密接触，从而产生合股纱的约束力。此外，长丝和单纱不仅受到平行长丝结构中接触点的压缩和支撑，它还会随着曲率角的增大而发生弯曲变形，增大了纱线的势能，根据最小能量原理，受弯单纱通过释放弯曲势能而恢复到原始状态，这也有助于合股捻纱较平行长丝更容易恢复初始形态，滞后效应最小。与此同时，在径向压缩的作用下，织物的弯曲能和扭转能增加，只要适当加捻，具有良好弹性的长丝就可以使所设计的压力传感器获得良好的恢复性能和较低的滞后。

另外，研究人员采用有限单元法模拟了纱线间的相互作用，进一步阐明了双螺旋结构在抗迟滞和松弛方面的优势。在这里，捻纱中的多丝被简化为两股，几乎完全恢复。对于无捻纱，在卸荷过程中，由于纤维间的摩擦和纠缠，部分纤维不能完全恢复到初始状态。具有双螺旋结构的纺织传感器的响应时间和弛豫时间均仅为2和2 ms，这是由存储的扭转力量所实现的超快恢复。

图2通过理论分析和仿真，揭示了双螺旋结构的优越性。a)无捻纱和捻纱理想的层次结构；b) 在纱线中被捻成螺旋状的长丝的整体外观；扭丝在压缩过程中的展开图；d)显示径向矢量的螺旋丝的俯视图；e,f)利用有限元法模拟加卸载过程中捻/未捻纱的变形。

【纺织传感器模型应用】

在将传感器投入实际应用之前，经过多次循环测试后检验其耐久性是关键步骤。该研究团队研制的纺织传感器可以在6000个测试周期下和广泛的工作电压范围内保持耐用和可重复的性能，可应用于检测微妙的压力或运动的健康监测。利用纺织传感器，通过分析脉搏波形、频率和幅度，可以灵活地判断人体是否存在潜在疾病(如心脏病、高血压、血管老化、动脉硬化等)。

除此之外，鉴于脉搏触诊需要压力，压力传感器可以最大限度地模拟实际的手指感觉，借助传感器装置可使脉冲波形的特征参数由算法阐明和量化，有望使中医“问脉”现代化和规范中医诊断。为了更好地模拟触诊，研究人员开发了1×3传感器阵列来测量太渊、太陵穴、神门穴位置的脉搏信号，发现在太陵穴位置，纺织传感器能够区分不同压力下的特征峰。

【小结】

该研究团队构建了一个扭曲结构的分层系统，用于表皮脉搏检测中柔性纺织压力传感器，通过比较无捻纱和加捻纱，双螺旋结构确实改善了传感器在变异、滞后和线性方面的性能，与其他传感器相比，该纺织传感器达成了最低的恢复指数和最短的响应时间。同时这项工作证明了超快速响应/恢复纺织品压力传感器作为潜在的便携式医疗传感设备在医疗保健监测中的巨大价值。无论是压力型还是应变型的纺织品传感器，滞后都是一个常见的问题，为了解决这一问题，目前的主流是将弹性聚合物与纺织品结合，以提高整体弹性。本研究采用双螺旋结构控制磁滞效应，为传感器性能的调节提供了一条特殊的途径。