一种通过对碳纳米管（CNTs）进行工程化排列实现的方向感知压光透射应变传感器

《Advanced Materials Technologies》：A Direction-Aware Piezo-Transmittance Strain Sensor via Engineered Alignment of Carbon Nanotubes (CNTs)

　　

可拉伸且灵活的应变传感器是下一代可穿戴设备和人机界面的关键组件。在各种方法中，基于压光透射（piezo-transmittance）的应变传感器具有快速响应和环境稳定性。然而，同时实现高灵敏度和精确的方向解耦仍是一个重大挑战。依赖随机微裂纹的传感器虽具有高应变系数（gauge factor），但其随机性阻碍了轴向特异性传感。另一方面，工程化宏观结构（如超材料）提供了结构可预测性，但常出现灵敏度降低和正交轴间显著的机械串扰。在这项研究中，研究人员通过在定向排列的碳纳米管（CNTs）/聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合材料中工程化设计一种受控的线性间隙开合机制，开发了一种方向感知的压光透射应变传感器。均匀的间隙开合结构克服了传统裂纹基传感器的局限性，实现了增强的方向性、高灵敏度（应变系数≈283）、低检测限（0.03%）和优异的传感器间一致性（相对标准偏差<12%）。该传感器在17621次应变循环中表现出可靠的性能，并通过传感器阵列实现了定量解耦正交应变分量的精确多方向应变检测。最后，所开发的传感器被集成到可穿戴平台中，包括附着于关节和嵌入可拉伸运动带，展示了其在实时人体运动监测以及集成于可穿戴健身和康复设备中的潜力。

**论文解读：方向感知压光透射应变传感器——通过碳纳米管（CNTs）工程化排列实现高性能应变监测**

**研究背景、问题与动机**

可拉伸柔性应变传感器是下一代可穿戴设备、医疗健康监测系统和人机界面（HMI）的关键元件。在多种传感机制中，压光透射（piezo-transmittance）应变传感器通过机械变形改变光透射率来响应应变，具有快速响应、环境稳定性好（对温湿度不敏感）等优势。然而，现有压光透射传感器大多依赖随机微裂纹在碳纳米管（CNT）基弹性体复合材料中的生成和扩展，这导致裂纹不可控、应变响应不均匀、方向性差以及传感器间一致性低。尽管通过超材料等宏观工程化结构可提高结构可预测性，但往往伴随灵敏度下降和正交轴间机械串扰。因此，如何同时实现高灵敏度、精确方向解耦和优异可重复性，是推进压光透射传感器实用化的核心挑战。为此，研究人员提出一种基于定向排列CNT/聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合材料的受控均匀间隙开合机制，以替代随机裂纹，实现方向感知的应变传感。该研究发表于《Advanced Materials Technologies》。

**关键技术方法**

为实现受控间隙开合机制，研究人员采用以下关键技术：1）通过化学气相沉积（CVD）在硅衬底上生长垂直排列的CNT阵列，并利用纳米结构滚动系统（NRS）将垂直CNT阵列机械转化为水平定向排列的致密CNT薄膜；2）通过旋涂和转移工艺将CNT薄膜嵌入PDMS基体中，形成柔性的CNT/PDMS复合材料；3）通过优化CNT长径比（垂直生长高度与横向间距之比）调控结构均匀性、拉伸性和光学灵敏度；4）利用双太阳能电池差分测量架构（参考太阳能电池与传感太阳能电池）实时消除环境光干扰，实现稳定信号采集。实验过程未涉及特定样本队列来源，所有传感器均基于实验室制备的CNT/PDMS复合材料。

**研究结果**

（1）**方向感知压光透射应变传感器的概念、制备及工作机制**
研究人员设计了一种可控的均匀间隙开合结构（图1A），通过CVD生长垂直CNT阵列，经NRS滚动成水平定向CNT薄片，再嵌入PDMS。在无应变状态下，CNT薄片紧密无间隙；当沿滚动方向施加拉伸应变时，相邻CNT薄片间出现周期性间隙，导致光透射率增加；而横向应变时无间隙形成，从而实现对应变方向的区分。两轴正交排列的传感器可独立检测x轴和y轴应变。

（2）**碳纳米管（CNT）长径比对传感器性能的影响**
研究人员系统比较了三种长径比（1:1、4:1、8:1）的传感器。SEM表征显示，4:1组在CVD生长后保持均匀垂直排列，NRS滚动后形成致密且边界规整的水平排列（图2A-C）；应力-应变曲线（图2D）表明1:1和4:1组具有高拉伸性，而8:1组因CNT过度重叠导致脆性断裂；光学灵敏度测试（图2E）中，4:1组在整个应变范围内保持一致高灵敏度，1:1组因稀疏CNT网络基线透射率高而灵敏度有限，8:1组因早期机械失效快速丧失功能。因此，4:1长径比被选为最优配置。

（3）**传感器的详细表征**
选用4:1长径比传感器进行性能测试。图3A显示，在0%-30%应变范围内，相对光强变化（ΔI/I₀）呈光滑非线性增加，滞回仅为1.772%，应变系数在30%应变时达282.6。动态测试（图3B）显示不同应变幅值（5%-30%）下信号峰值一致且恢复快速。在150%/s高应变率下，负载延迟和卸载延迟分别为72 ms和15 ms（图S2）。低应变检测能力（图3C）显示0.1%-1.0%增量应变下产生清晰阶梯式响应，检测限约0.03%（图S3）。传感器间一致性（图3D）显示相对标准偏差（RSD）在7%-12%之间，远低于传统裂纹基传感器的~40%。不同拉伸速率（0.5%/s至20%/s）下ΔI/I₀曲线几乎重叠（图3E），表明灵敏度与应变速率无关。长期耐久性测试（图3F）显示在17621次循环后宏观信号稳定无基线漂移，且截面SEM（图S7）证实CNT/PDMS界面无分层或结构退化。

（4）**多方向应变检测性能**
角度依赖性测试（图4A-B）显示，当应变方向偏离CNT排列方向（0°）时，ΔI/I₀值系统性降低，90°时接近零，应变系数在0°处达峰值（~283）。通过正交排列两个传感器构成双轴结构（图4C），沿x轴拉伸时仅x轴传感器产生强周期性信号（图4D），沿y轴拉伸时仅y轴传感器响应（图4E），实现了出色的方向特异性。极坐标图（图4F）显示x轴和y轴组合信号可精确确定任意应变方向。与现有技术对比（表S1），该传感器在超高灵敏度（应变系数≈283）和极小滞回（1.772%）间取得了前所未有的平衡。

（5）**可穿戴应用演示**
为消除环境光干扰，采用双太阳能电池差分测量架构（图5A）。传感器可直接附着于肘部、膝部或嵌入可拉伸运动带（图5B）。肘部俯卧撑监测（图5C）和膝部深蹲监测（图5D）中，模拟信号和计算应变值均呈现与运动同步的周期性变化。运动带测试（图5E-G）中，沿x轴拉伸时仅传感器1响应，沿y轴拉伸时仅传感器2响应，验证了正交应变解耦能力。

**讨论与结论**

研究人员通过工程化CNT定向排列并引入受控间隙开合机制，成功开发了一种方向感知压光透射应变传感器。该传感器克服了传统裂纹基传感器的随机性缺陷，实现了高灵敏度（应变系数≈283）、低滞回（1.772%）、优异传感器间一致性（RSD<12%）、超低检测限（0.03%）和超过17621次循环的耐用性。实际应用验证了其在局部关节监测和可拉伸运动带中的有效性。讨论指出未来工作需优化弹性体皮肤共形性以减少滑动伪影，并通过三元件应变花配置（如0°、45°、90°）克服对称模糊性，实现复杂多方向运动的精确解耦；同时需研究双轴拉伸下泊松效应引起的非线性机械耦合，并推进全可拉伸光电模块集成。研究结论确认：精确的各向异性排列是高应变性能传感的关键设计策略，该技术为下一代可穿戴电子、机器人和个性化医疗监测提供了可扩展平台。