用于结构健康监测和人体面部表情检测的低迟滞光纤微型应变传感器

《Sensors and Actuators A: Physical》：Low Hysteresis Fiber-Based Miniature Strain Sensor for Structural Health Monitoring and Human Facial Expression Detection

　　

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  基于纤维的应变传感器被制备用于检测面部微表情和结构健康监测。
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  实现了低至0.025%的超低应变（对应位移12.5 μm）和低迟滞（<10%）。
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  与镀银尼龙纤维集成的应变传感器具有出色的耐久性，超过1400次循环，高线性度（R² = 0.992），优异的动态力检测能力（位移0.78 mm时达0.82 N，位移1.57 mm时达1.65 N）。

引言

智能传感正在改变日常生活和工业领域[1], [2]。基于纤维的传感器凭借其柔性和易于集成的特点，越来越多地应用于可穿戴电子、结构健康监测和生物医学领域[3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11]。这推动了高灵敏度纤维传感器在精确应变检测方面的研究。实时应变数据对于结构健康监测至关重要，可以评估设备安全并确定报废标准[12], [13]。同样重要的还有其生物医学应用，监测功能障碍器官的组织形变可以改善患者的生活质量[14], [15]。这种广泛的实用性源于应变的基本特性，它涵盖了从人类面部表情、关节运动到关键结构变形的一切[16], [17], [18]。

近年来，面向可穿戴和人机交互场景的柔性传感系统和智能传感平台发展迅速。基于不同工作原理的各种柔性传感器不断被探索。例如，开发了一种高性能柔性电容三维力传感器用于人机交互，实现了高灵敏度和信号解耦能力[19]。作为一种有前途的二维材料，MXene也被广泛用于构建多功能柔性传感器，涵盖气体检测、生物监测和机械应变感知[20]。除传统应变传感器外，基于电活性聚合物的自感知器件和人工肌肉进一步扩展了柔性智能系统的应用边界[21]。

由于电阻式和电容式传感器在动态环境中具有高可靠性和对大应变的卓越灵敏度，已被广泛研究[22], [23], [24], [25]。然而，它们也容易受到寄生电容和电磁干扰的影响，并且在结构和制造工艺方面更加复杂[26], [27]。电阻式应变传感器通常使用基于纤维的电极层[28], [29]。其工作原理基于压阻效应，将机械形变转化为电阻变化并实时记录[30], [31]。测量电路实时记录该信号变化。Wu团队开发了一种基于纳米碳/银纳米粒子/MWCNT/PU纤维的可视化应变传感器，实现了107%的应变范围[32]。Yue等人制备了一种多孔芯壳碳黑/TPU纤维传感器，应变超过200%[33]。Wu等人还创建了一种双螺旋褶皱结构纤维传感器（AMPPPNY），表现出高达310%的超宽感知范围，能够检测细微和大关节运动[34]。Lee等人报道了一种VG@CNF/rGO纤维传感器，可响应高达522%的应变，但对微应变的灵敏度有限[35]。Zhao等人开发了一种通过湿纺和预拉伸涂覆MWCNT的空心多孔TPU/荧光剂纤维，实现了530%的超宽感知范围和高分灵敏度（GF高达57.2）[5]。尽管取得了这些进展，检测超小应变仍然是一个主要挑战，限制了实际应用。此外，值得注意的是，这些应用涉及复杂的应变模式，通常是随机的、非单调的，并且具有不同的变化速率，对测量提出了重大挑战[36], [37]。因此，传感器必须表现出低迟滞和稳健的动态耐久性，以确保在多种环境中的长期可靠性[38], [39]。虽然电阻式纤维应变传感器具有简单的结构、高的应变系数和显著的可拉伸性[40]，但仍面临迟滞、低应变检测限和长期动态可靠性的挑战[41], [42], [43]。

本文通过简单的湿纺技术制备了复合纤维，以MXene作为导电填料，TPU作为基质，PEDOT:PSS用于增强界面粘附。这些复合纤维不仅表现出超低应变感知能力（位移12.5 μm，应变0.025%）和优异的灵敏度（0.5%应变下GF为28）。该传感器能够检测面部微表情和关节运动。与镀银尼龙集成后，还可以实现实时监测并展现出结构健康监测的潜力，同时产生电阻和动态力信号来评估形变或裂纹扩展。即使超过1400次循环，仍保持出色的传感性能和稳定性，实现高线性度R² = 0.992和低迟滞<10%。在形变过程中，器件产生动态力，当长度变化1.57 mm时可达1.65 N，凸显了其在结构健康监测（SHM）中作为实时检测预警和损伤程度评估的潜力。

章节摘要

制备与表征

图1a展示了MXene/TPU/PEDOT:PSS纤维的制备过程，包括MXene合成和湿纺（详见实验部分）。按照已报道的方法，MXene通过HF蚀刻Ti₃AlC₂获得。XRD（图S1）显示39.3^o峰消失和（002）峰展宽，表明Al已被去除。拉曼光谱（图S2）通过256 cm^?1处Al–Ti峰的消失证实了这一点。SEM（图S3）揭示了手风琴状结构，层间距扩大。TPU的湿纺和

结论

本研究提出了一种基于MXene复合纤维的新型应变传感器，旨在克服低迟滞与小检测限之间的经典权衡。该传感器实现了超低检测限（12.5 μm，0.025%应变），0.5%应变下优异的GF为28，以及低迟滞（<10%）。它能够捕捉细微的面部表情和手指关节运动（例如眉毛、眨眼、脸颊运动）。此外，当与镀银尼龙集成用于结构健康监测时，该传感器

材料

热塑性聚氨酯（100 g，德国巴斯夫1180a透明颗粒）购自智威威斯平。Ti₃AlC₂前驱体粉末（400目）由吉林一一科技有限公司（中国）供应。镀银尼龙购自V Technical Textiles（美国）。N,N-二甲基甲酰胺（DMF，99.8%）和PEDOT:PSS（PEDOT:PSS=1:6，水中1.5%）购自阿拉丁试剂有限公司；氢氟酸（HF）和无水乙醇（C₂H₅OH）购自国药集团化学试剂

CRediT作者贡献声明

董立中：调查、形式分析、数据整理。贾天天：写作 – 审阅与编辑、写作 – 初稿撰写、验证、方法论、数据整理、概念构思。冯伟：写作 – 审阅与编辑、验证、形式分析。王晓娜：写作 – 审阅与编辑、验证、监督、资金获取。邸江涛：监督、资源、项目管理。

利益冲突声明

本文系原创作品，未曾发表，也未在其他地方考虑发表。本研究中包含的所有数据均可在合理要求下从通讯作者处获得，我们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

作者感谢国家重点研发计划（2024YFA1210602）、国家重点研发计划（2022YFA1203304）、广东省基础与应用基础研究基金（2023A1515140044）、苏州市科技计划（SSD2023002）的资金支持。作者还感谢中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所Nano-X提供的技术支持。

利益冲突声明

作者声明

贾天天 于2026年获得东北林业大学硕士学位。她当前的研究兴趣包括柔性应变传感器和功能复合材料。

贾天天|董立中|王晓娜|冯伟|邸江涛