采用自供电电化学应变传感器实现的纳米架构技术，该传感器由碳墨水制成，具有宽检测范围

《Diamond and Related Materials》：Nanoarchitectonics with a self-powered electrochemical strain sensor constructed from carbon ink with a wide detection range

　　

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  提出了一种由碳墨水制成的低成本电化学应变传感器。
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  该传感器具有宽广的应变检测范围（0–100%）。
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  将传感器与机器学习结合可以实现呼吸识别。

引言

通过附着在身体的不同部位，应变传感器能够实时监测生命体征（例如呼吸、肢体运动），这凸显了它们在下一代健康监测、人造皮肤和便携式电子产品中的潜力[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9]。传统的应变传感器主要依赖于电阻式或电容式传感机制[10], [11], [12], [13], [14], [15], [16]。经过多年的发展，这两种类型传感器的性能指标已经非常优秀。然而，这些设计的信号采集仍然依赖于外部偏置电压，这个过程伴随着电能消耗[17], [18]。因此，这类传感器需要频繁更换电池，而且对外部电源的需求阻碍了系统的微型化和集成。为了解决上述问题，已经开发出了自供电传感器[19], [20], [21], [22], [23], [24]。例如，传感器通过摩擦电效应、静电感应或压电效应实现自供电[25], [26], [27], [28]。传感器从环境中获取机械能来产生电能，其输出电压/电流会随着施加的应变而变化。因此，应变传感与能量生成同时发生。由于不需要外部偏置电压来获取电压和电流信号，传感器实现了自供电。然而，这些设备仅能实现动态信息的检测，无法满足静态应变测量的需求[29], [30], [31]。人体产生的一些生理信号本质上是静态的（例如呼吸暂停）。因此，上述传感器的应用场景受到限制。需要新的技术方法来实现静态和动态应变的实时自供电检测，以满足人类生理信息监测的需求。

在电化学传感器中，电能是通过电极界面处的氧化还原过程产生的[32], [33], [34], [35], [36], [37]。无论是静态刺激（例如压力和应变）还是动态刺激，都能调节产生的电能，这为压电和摩擦电传感器面临的问题提供了一种有前途的解决方案。刘等人使用活性炭、氧化石墨烯和MoO₃作为传感材料，制备了一种电化学柔性压力传感器[38]。该传感器产生的最大输出电压为0.648?V。随着外部压力的增加（0–60?kPa），传感器的输出电压逐渐升高。在静态负载下，输出电压最初会增加，然后保持稳定性能而不衰减。此外，该传感器也可用于动态压力检测场景，如实时手腕脉搏监测。在上述研究的基础上，电化学传感器在感知静态/动态刺激方面显示出潜力。为了提高信号强度，姚等人引入了一种利用MgAg氧化还原反应的柔性自供电压力传感器，其最大输出电压为0.927?V，灵敏度为14?mV/kPa[39]。秦等人开发了一种利用电化学机制的电纺柔性压力传感器，实现了更高的灵敏度（143?mV/kPa）和更宽的检测范围（0–400?kPa）[40]。然而，上述传感器主要对垂直压力敏感，无法满足横向拉伸应变测量的需求。因此，研究人员也开发了电化学柔性应变传感器。例如，陈等人提出了一种基于水凝胶的电化学应变传感器，能够检测0–5%范围内的应变[41]。然而，这种传感器的应变测量范围相当有限。此外，水凝胶的制备涉及复杂的合成过程，制造成本较高。为了实现对各种人群的实时生理监测，迫切需要低成本的传感器技术。尽管如此，制造具有宽广应变检测范围的低成本电化学柔性应变传感器仍然面临挑战。

在我们之前的工作中，我们使用了一种廉价的洁净室抹布开发了一种低成本电化学柔性应变传感器[42]。然而，该传感器的应变检测范围（0–5%）仍需进一步优化。日常生活中的弹性带具有出色的可伸展性和可恢复性，并且成本低（大约每米0.7美元），使其成为制造应变传感器的理想候选材料。在这里，我们使用弹性带作为结构支架，Cu/Al带分别作为阴极和阳极，制备了一种低成本电化学柔性应变传感器。食盐（NaCl）作为传感器自由移动离子的来源。由于碳墨水中碳颗粒具有较高的电导率，设备的内部电阻降低，输出功率相应提高。此外，碳墨水具有应变传感功能。根据傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）的结果，碳墨水中含有-OH、CO、CC、O-C=O和CO等官能团[43]。碳墨水具有良好的亲水性。NaCl的红外吸收主要发生在243至34?cm^?1范围内，因此在大多数光谱区域是透明的[44]。XPS结果显示，Na 1?s光谱峰位于约1071.5?eV[45]。受到纳米结构[46]的启发，采用碳墨水-食盐作为传感材料。该传感器产生的最大输出电压为0.54?V，峰值输出功率达到2.79?μW。得益于弹性带的优异可伸展性，传感器能够实现0至100%的宽范围应变检测。在应变加载时，传感材料之间的接触减弱，从而减少了传感器内的有效导电通道数量。这种变化进一步导致内部电阻增加和输出电流相应下降。将传感器固定在腹部区域可以实时监测呼吸信号。结合机器学习算法，该传感器能够识别不同的呼吸模式。

章节片段

材料

弹性带（Bokesirui）购自杭州盛贤礼品有限公司。弹性带主要由聚酯和乳胶纤维制成。图S1显示了弹性带的横截面形态、化学名称和化学结构。其中，cis-1,4-聚异戊二烯主要位于弹性带内部，聚对苯二甲酸乙二醇酯包裹着cis-1,4-聚异戊二烯。食盐主要由NaCl组成，来自河北中岩龙翔盐化工公司。

材料表征

使用光学显微镜（图2（a）观察了弹性带的结构特征，发现它由多根纤维组成。这些纤维捆绑成半圆柱形的束，以特定的束间角度平行排列。每束内的纤维彼此紧密连接，而相邻束之间的结合相对松动。因此，拉伸应变可以很容易地使相邻束分离。

结论

总结来说，我们开发了一种基于低成本材料的电化学应变传感器，包括弹性带、碳墨水和食盐，采用简单的浸涂工艺。Cu和Al带分别作为传感器的电极。由于两种金属的电化学活性不同，在电极处会发生电化学反应，从而产生输出电压/电流，实现自供电操作（最大输出电压：约0.54?V；最大输出功率：

CRediT作者贡献声明

黄琦：撰写——原始草案、可视化、验证、监督、方法学、研究、资金获取、概念化。赵秋妮：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取。唐斌：撰写——审阅与编辑、监督。吴振海：撰写——审阅与编辑。程登木：撰写——审阅与编辑、资金获取。孙萍：撰写——审阅与编辑。

伦理声明

所有伦理和实验程序及协议的批准均得到了西南石油大学伦理委员会的认可。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报道工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了成都科学技术计划（项目编号：2026-YF05-00199-SN）、云南省基础研究项目（项目编号：202401BE070001-005、202501CF070183）、国家自然科学基金（项目编号：62501259、11404270）以及
电子薄膜与集成器件国家重点实验室开放基金（项目编号：KFJJ202503）的支持。赵秋妮感谢云南省星电人才支持计划项目对SEM测试的支持。

黄琦|赵秋妮|唐斌|吴振海|程登木|孙萍