综述：基于碳纳米管的柔性可穿戴应变传感器综述：从材料到在人体中的应用

《Sensors and Actuators A: Physical》：Review of carbon nanotube-based flexible wearable strain sensors: from materials to applications for human body

碳纳米管基柔性应变传感器研究进展，重点分析材料微观结构与性能关系，探讨复合材料的制备工艺、结构设计及其在健康监测、运动检测和人类-机器交互中的应用，总结当前挑战与未来方向。

　　近年来，随着材料科学和电子技术的快速发展，柔性可穿戴传感器在健康监测、运动检测和人机交互等领域展现出广阔的应用前景。这类传感器因其轻质、便携、优异的电性能和高集成度而受到越来越多的关注。它们的高灵敏度、耐用性和稳定性使得传感器能够通过与人体的紧密接触，实现精准的生理信号采集。柔性可穿戴传感器的广泛应用不仅推动了电子产品的革新，也为个性化医疗和智能穿戴设备的发展提供了技术支持。

柔性可穿戴传感器主要分为三种类型：电阻式、压电式和电容式。每种类型的传感器在性能表现上都有其独特之处。例如，压电式传感器通常依赖于压电材料的特性，这类传感器在使用陶瓷材料时表现出最佳的性能。然而，陶瓷材料的刚性使其难以适应可穿戴设备的需要。相比之下，电容式传感器具有快速的响应时间、良好的线性度和高灵敏度，但在结构上存在一定的局限性，使得其在可穿戴领域的应用受到限制。而电阻式传感器则具备易于信号测量、宽泛的测量范围以及多样化的结构形式等优势，因此在可穿戴传感器领域展现出更大的潜力。

电阻式传感器能够使用多种材料进行制造，且其制备工艺相对简单，这使得它们在满足人体可穿戴设备的需求方面更具优势。因此，本篇综述主要聚焦于电阻式传感器，并从材料的角度出发，探讨其性能优化路径。在可穿戴设备的开发中，材料的形态和结构对传感器的机械和传感性能具有重要影响。因此，如何通过材料的形态和结构设计来优化传感器性能，成为研究的关键方向之一。

在可穿戴设备的应用背景下，人体健康问题日益受到重视。随着中国经济的快速增长和社会的快速发展，亚健康状态已成为威胁公众健康的重要因素。这种趋势促使了柔性可穿戴传感技术的创新，推动了多维度健康管理框架的建立。人体对连续生理监测的需求，如心率变异性、表皮电势等，使得传感器能够提供实时、准确的数据支持。同时，传感器在运动检测和人机交互中的应用，也使得其在日常生活中发挥着越来越重要的作用。

柔性可穿戴传感器的性能评估框架通常包括五个关键参数：拉伸性、灵敏度、线性度、迟滞性和响应与恢复时间。这些参数决定了传感器在实际应用中的表现，因此对它们的深入研究和系统分析对于理解材料性能对传感器行为的影响至关重要。在传感器的制造过程中，材料的形态和结构设计直接影响其性能表现。例如，碳纳米管（CNT）与聚合物复合材料的结合，使得传感器在保持高灵敏度的同时，也具备良好的机械性能和电导性。

碳纳米管作为一种一维材料，因其轻质、高强度、良好的电导性和高可加工性而受到广泛关注。与石墨烯和碳黑相比，碳纳米管在柔性可穿戴传感器中的应用具有更大的优势。此外，聚合物材料的选择也对传感器的性能产生重要影响。例如，聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚乙炔（PANI）等材料因其良好的拉伸性和生物相容性而被广泛应用于柔性传感器的制备。

在材料的形态和结构设计方面，研究者们发现通过控制碳纳米管在复合材料中的分散和排列，可以有效优化材料的性能。同时，不同的聚合物基质和复合材料形态也对传感器的性能产生影响。因此，通过系统地研究材料的形态和结构设计，可以为柔性可穿戴传感器的开发提供理论支持和实践指导。

当前，大多数关于可穿戴传感器的综述主要集中在传感机制和制备工艺对传感性能的影响上，而较少涉及材料形态和结构如何影响传感器的机械和传感性能。因此，本篇综述首先总结了碳纳米管分散和排列、聚合物类型和材料形态对复合材料性能的影响。其次，探讨了基于碳纳米管复合材料的应变传感器在不同形态下的发展情况。最后，分析了碳纳米管复合材料在健康监测、运动检测和人机交互等领域的实际应用，并指出了当前面临的挑战和未来的发展方向。

在实际应用中，碳纳米管复合材料的应变传感器在健康监测领域发挥着重要作用。例如，这些传感器可以用于监测心率、呼吸频率等生理信号，为医生提供实时的数据支持。在运动检测方面，碳纳米管复合材料的应变传感器可以用于监测肌肉活动、关节运动等，为运动员提供精准的运动数据。此外，在人机交互领域，这些传感器可以用于控制智能设备，提高人机交互的效率和准确性。

尽管碳纳米管复合材料在可穿戴传感器领域展现出巨大的潜力，但在实际应用中仍面临诸多挑战。例如，目前大多数应变传感器的测试仅限于实验室环境，难以适应实际应用场景中的复杂条件。此外，传感器的响应速度和恢复时间在实际应用中仍需进一步优化，以提高其性能表现。同时，材料的分散性和排列性对传感器性能的影响尚未完全明确，需要进一步研究。

在未来的研发方向中，如何通过材料的形态和结构设计来优化传感器的性能，成为研究的关键。此外，如何提高传感器的响应速度和恢复时间，使其能够适应实际应用场景的需求，也是研究的重要内容。同时，如何提高传感器的稳定性和耐用性，使其能够在长期使用中保持良好的性能表现，也是需要解决的问题。

本篇综述旨在通过材料中心的框架，整合复合材料设计、微观结构控制和多功能应用，为柔性碳纳米管基应变传感器的优化提供指导。通过系统地分析碳纳米管复合材料的性能表现，可以为可穿戴设备的发展提供理论支持和实践依据。同时，本篇综述也强调了材料的形态和结构设计在传感器性能优化中的重要性，为未来的研究提供了新的思路和方向。

在材料科学的发展过程中，研究者们不断探索新的材料和制备方法，以提高柔性可穿戴传感器的性能。例如，碳纳米管复合材料的制备方法可以进一步优化，以提高其分散性和排列性，从而改善传感器的性能表现。此外，聚合物材料的选择也可以进一步拓展，以提高传感器的稳定性和耐用性。因此，通过系统的材料研究和结构设计，可以为柔性可穿戴传感器的发展提供更加全面的支持。

总之，柔性可穿戴传感器的发展离不开材料科学的进步。碳纳米管复合材料作为一种新型材料，具有广阔的应用前景。通过深入研究材料的形态和结构设计，可以为传感器的性能优化提供理论支持和实践依据。同时，本篇综述也强调了材料中心的框架在柔性可穿戴传感器研究中的重要性，为未来的研究提供了新的思路和方向。