基于分子聚合技术的拓扑纺织品传感器，具备不受曲率影响的响应特性，能够实现可靠的关节运动监测

《Analytica Chimica Acta》：Molecularly Polymerized Topological Textile Sensor with Curvature-Independent Response for Reliable Joint Motion Monitoring

　　

陈丽明|冉巧月|尹五良|胡奎

英国曼彻斯特大学物理与天文系

摘要

基于纺织材料的柔性电容传感器在个性化康复监测方面具有潜力，但其可靠性常常受到肢体形态变化的影响，而这一因素很少被考虑。我们通过分子自聚合在纺织材料上构建拓扑结构，开发出一种能够适应曲率的可穿戴电容传感器，该结构能够牢固地固定原位生长的镍纳米颗粒，形成导电且与界面集成的传感层。这种分子级别的设计确保了在动态变形过程中的良好粘附性和电气稳定性。重要的是，即使在曲率为45°、90°和120°的表面上组装时，该传感器也能在肘部屈伸（从最小角度到180°）过程中表现出一致的电容响应趋势，有效模拟了不同大小的肢体。这种不受曲率影响的性能通过理论建模和实验得到了验证。我们的工作不仅展示了一个具有增强界面可靠性的耐用传感平台，还为未来的可穿戴电子设备建立了一个重要的设计范例：通过分子工程材料集成来保持信号完整性，以应对生理曲率的变化。

引言

可穿戴电子设备使得在传统临床环境之外持续监测生理信号成为可能[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。诸如智能纺织品和柔性传感器之类的设备可以在日常生活中追踪运动、温度和生命体征[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。然而，它们的广泛采用仍面临关键挑战，包括刚性组件与动态关节之间的机械不兼容性[11]、[12]、[13]、[14]、[15]，以及在不同体型用户身上应用时信号的一致性问题[16]、[17]、[18]。

基于纺织材料的传感器为可穿戴应用提供了固有的灵活性和舒适性。常见的导电涂层通常通过无电沉积（ELD）[19]、[20]、[21]、[22]、[23]方法施加，但这些涂层往往存在界面粘附力差的问题，导致在机械变形时出现裂纹。聚合物辅助金属沉积（PAMD）作为一种有效策略应运而生，例如使用受生物启发的多巴胺（PDA）作为粘合层[24]、[25]、[26]、[27]。尽管粘附力有所提高，但传统的PAMD工艺仍然较慢，通常需要超过24小时[26]、[27]、[28]，并且没有解决一个根本性的可穿戴挑战：在不同肢体曲率下的性能一致性。现有研究很少探讨当同一设备应用于不同曲率的表面时传感器输出如何变化，而这直接影响了实际使用中的测量可靠性。

为了克服这些材料和功能上的限制，本研究开发了一种基于分子增强导电纺织材料的快速制造、不受曲率影响的电容传感器。我们引入了一种热加速共聚过程，结合了PDA和超支化聚乙烯亚胺（HPEI），在2小时内就在棉纤维上构建了一个交联的拓扑网络。该网络牢固地固定了原位生长的镍纳米颗粒，形成了具有强界面粘附力和机械耐久性的导电涂层。

除了材料创新之外，我们还建立了一个适应曲率的传感平台，并系统地评估了其在不同弯曲条件下的性能。如图1所示，柔性电极是通过表面纳米技术在原始棉纺织品上制造的，可以轻松切割成不同的形状以适应各种传感配置。两个镀镍的导电纺织电极被附着在弯曲的基底上，例如圆柱形杆或人体手臂，并通过阻抗分析仪实时记录电容信号。当两个基底之间的相对角度发生变化时，电容变化会被连续采集并通过个人计算机进行分析。

利用这种配置，我们研究了传感器在代表性弯曲曲率（45°、90°和120°）下的响应情况，这些曲率对应于不同半径的手臂。理论建模和实验结果均表明，传感器在整个肘部屈伸周期（从180°伸展到最大屈曲）中表现出一致的电容响应趋势，且不受基底曲率的影响。这种不受曲率影响的性能表明了其在可穿戴运动监测中的潜在应用。

章节摘录

镀镍导电纺织材料的制备

所有化学品均从Sigma-Aldrich购买。所有纺织基底均来自曼彻斯特大学的Dye House。扫描电子显微镜（SEM）实验在ZEISS Ultra-55仪器上进行。

镀镍导电纺织材料是通过表面纳米技术制备的（见图2）。简要来说，使用2 g/L的多巴胺溶液和1 g/L的超支化HPEI水溶液（含有0.01 M Tris（羟甲基）氨基甲烷缓冲液，pH值为8.5），将原始棉纺织品浸泡2小时并搅拌。

结果与讨论

本节首先介绍了电容传感机制的理论模型，然后在不同弯曲曲率下进行了实验评估，最后展示了实时人体运动监测的应用。

结论

开发了一种基于镀镍导电纺织材料的柔性轻质电容传感器，用于实时监测人体生物力学运动。系统地研究了材料的微观结构、电容传感特性及其相应的理论模型。分析预测和实验结果均表明，电容变化与手臂弯曲运动之间存在明确且可重复的相关性。重要的是，电容-角度响应

CRediT作者贡献声明

胡奎：撰写——审稿与编辑、研究、数据管理。尹五良：撰写——审稿与编辑、资源准备。陈丽明：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、研究、数据管理。冉巧月：验证、研究

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性声明

数据可根据请求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了Henry Royce先进材料研究所的支持，资金来自EPSRC的资助项目EP/R00661X/1、EP/P025021/1和EP/P025498/1。作者感谢曼彻斯特大学提供的校长博士奖学金以及IEEE I&M协会的研究生奖学金。