青島大學在柔性可穿戴器件方面取得重大進展

柔性電子器件因其在彎曲、扭曲、折疊、拉伸等條件下仍能保持穩定的電氣性能而成為科學研究的熱點之一。柔性電子器件與常規硬質器件相比，廣泛應用于柔性傳感器、可穿戴設備、能源存儲、植入醫療等領域。類似于高導熱復合納米材料，柔性電子設備的制備主要是通過導電納米材料 (如納米線、納米管、石墨烯等。)與柔性聚合物基體復合獲得。然而，在設備反復變形的過程中，導電納米材料之間的較大接觸電阻和納米材料與聚合物基體之間的不良接觸會在柔性電子設備中積累大量的熱量。如果這些熱量不能及時從設備中消散，必然會影響設備的性能和使用壽命，甚危及整個系統的安全。也就是說，對于柔性電子設備來說，穩定的熱學性能同樣重要，除了優異的機械性能和電學性能。雖然目前的導熱絕緣復合材料本身具有一定的靈活性，但應用于LED常規硬質電子器件的熱管理，但其在柔性電子器件領域的應用研究卻很少。探尋恰當的熱管理材料與結構，并應用于柔性電子器件領域，對其機理展開深入研究，對于新一代柔性可穿戴電子器件的發展顯得尤為重要。

  近日，青島大學物理科學學院副教授孫斌與上海交通大學黃興義教授、上海大學張統一院士合作開發了一種柔性可穿戴應變傳感器，具有高效的熱管理能力，用于監測和分析青島大學龍舟運動員的日常訓練動作。相關工作A high perfor ** ncewearable strain sensor with advanced ther ** l  ** nagement for motion monitoring”發表在《Nature Communications》上。第 一作者是2020年青島大學物理學碩士譚岑孝、副教授孫斌、黃興義教授、張統一院士。

   柔性可穿戴應變傳感器結構及實物圖

  由石墨烯納米帶制成的柔性可穿戴傳感器的獨特結構設計(GNRs)當設備變形時，電阻信號發生變化，可用于實時監測人體運動；導熱層由熱塑性聚氨酯彈性氮化硼納米片(TPU-BNNS)膜構成，可將器件使用過程中產生的熱量快速實時傳導到空氣中；熱絕緣層（TPU纖維膜)能有效防止熱量在器件和人體皮膚界面積累，保證人體安全。同時，TPU纖維膜的多孔結構也保證了皮膚的透氣性。

   (a) TPU-BNNS導熱層和傳感器的導熱系數 (b) 不同BNNSs傳感器樣品飽和工作溫度比較高 (c) 傳感器經受30多個反復拉伸(100 %變形 (d) 在拉伸-恢復過程中BNNSs導熱通面積的變化導致導熱通道的變化

  研究人員發現，無論是否TPU-BNNSs膜或傳感器的導熱系數會隨之而來BNNSs含量增加，但由于傳感器含有疏松TPU電紡纖維層的導熱系數不如同質量BNNSs的TPU-BNNSs膜，但含有35%BNNSs傳感器樣品的導熱系數仍然相對純TPU密膜封裝樣品增加242%，這也導致前者飽和工作溫度比后者下降32%。此外，研究人員還觀察了傳感器在0-100%應變范圍內的飽和工作溫度，其飽和溫度在30個周期內發生變化.5 °C熱穩定性高。其原因在于TPU-BNNSs膜中的BNNSs雖然拉伸過程中的一部分是相互搭聯形成導熱通路的BNNSs接觸面積變小，導致溫度略有升高，但大部分恢復變形后BNNSs回到原來的位置，修復了導熱通道。

   龍舟隊員訓練時動作監測分析應變傳感器

  龍舟比賽是中國的傳統體育項目。在龍舟比賽中，龍舟運動員以肩膀為軸，通過上肢劃槳，驅動龍舟快速前進。因此，龍舟運動員的傷病主要發生在上肢，包括肩膀、肘部、手腕等關節，其中大部分是由疲勞引起的。考慮到疲勞時容易發生動作變形，研究人員在青島大學女子龍舟隊（2019年中國龍舟比賽決賽第三名）的日常訓練動作監測中使用了應變傳感器。傳感器分別固定在運動員的肩膀、手腕和肘部。結果表明，當運動員體力充沛時，肩部固定的傳感器信號顯示兩個峰值，分別對應肩部的拉伸和關節的旋轉；當運動員感到疲勞時，肩關節的旋轉信號減弱甚完全消失，只有機械拉伸活動。相反，手腕上的傳感器信號顯示，疲勞的運動員會不由自主地彎曲手腕，以獲得足夠的力量來推動葉片。此外，無論是肩膀、手腕還是肘部，當運動員體力不足時，傳感器信號的輸出強度都小于體力充沛。

   細胞增殖實驗證明了柔性可穿戴應變傳感器的安全性

  對于可穿戴電子設備，設備的安全非常重要，即設備本身不能對人體造成任何安全風險。在這個傳感器中，導熱層和熱絕緣層都是由TPU因此，兩層材料具有良好的互溶性，可以GNRs和BNNSs將其牢牢地限制在設備中，以避免因納米材料而造成的毒性對人體細胞的損傷。

  這項工作有望為柔性可穿戴器件的制備提供新的思路。

   來源：青島大學柔性電子創新中心