一、研究背景：
近年來，可穿戴柔性應(yīng)變傳感器在人機操控、柔性機器人和智能醫(yī)療等領(lǐng)域展示出巨大的優(yōu)勢和應(yīng)用前景。然而，目前應(yīng)用于電阻型應(yīng)變傳感器的無機納米材料面臨著靈敏度較低、結(jié)構(gòu)單一、制備復(fù)雜、成本較高等問題，這對可穿戴柔性傳感器件的進一步發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。此外，基于可穿戴柔性傳感器的人機操控和人體微弱信號探測目前還有待進一步研究和發(fā)展。
二、文章簡介：
針對以上問題，西北工業(yè)大學(xué)和南京工業(yè)大學(xué)黃維院士、朱紀欣教授（共同通訊作者）通過一種高效、安全、低成本的合成方法，實現(xiàn)了高性能金屬性VN/CNTs氣凝膠混合物的合成，相關(guān)成果發(fā)表在Nano Letters，第一作者為博士研究生張洪健。作者們制備得到了具備特殊的類毛刷三明治納米結(jié)構(gòu)和優(yōu)異電學(xué)性能的VN/CNTs納米材料，并將其與PDMS柔性基底相結(jié)合設(shè)計成適用于微小應(yīng)變的高靈敏度、高耐久度和高響應(yīng)速度的柔性應(yīng)變傳感器，并成功應(yīng)用于實時的人機操控系統(tǒng)和多種人體物理信號的探測。
三、文章內(nèi)容：
1、材料設(shè)計與“一步氮化和碳化”合成策略
首先通過第一性原理計算方法，對VN/CNTs的結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能進行了預(yù)測。結(jié)果表明CNT更傾向于垂直于VN納米片表面生長并形成有序的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種獨特的結(jié)構(gòu)擁有良好的電導(dǎo)率和VN-CNT界面的電子傳輸特性。實驗通過凍干法和熱處理法合成由垂直CNT陣列修飾的VN納米片。合成方法簡單、安全，所合成的材料具有新穎的陣列結(jié)構(gòu)以及良好的純度和結(jié)晶性。
2、器件制備與優(yōu)異的傳感性能
采用簡便的刮涂法和轉(zhuǎn)移法，實現(xiàn)納米敏感材料與柔性基底的牢固結(jié)合，從而制備高性能柔性應(yīng)變傳感器。該材料具有獨特的類毛刷三明治堆疊結(jié)構(gòu)，使器件在微小應(yīng)變下可以通過VN/CNTs納米結(jié)構(gòu)之間的滑移與斷開，從而引起器件電阻的明顯變化。傳感器在小應(yīng)變下（<10%）表現(xiàn)出優(yōu)異的探測靈敏度（GF = 386），良好的響應(yīng)速度和耐久度。
3、器件在人機操控系統(tǒng)中的應(yīng)用
利用所制備的柔性傳感器對人體關(guān)節(jié)運動的傳感特性，設(shè)計了基于VN/CNTs柔性傳感器的實時人機操控系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)人手對機械手運動的同步控制。
4、人體微弱信號監(jiān)測與可穿戴舒適性評估
將所制備的柔性傳感器成功地應(yīng)用于對人體微弱信號的探測，如聲音識別（不同單詞、不同重音識別）、脈搏監(jiān)測（不同性別、不同生理狀態(tài)識別）及呼吸頻率監(jiān)測（深呼吸、正常呼吸、急促呼吸）等。此外，對柔性傳感器的可穿戴舒適性進行了評估，如皮膚貼合性、散熱性等。
四、總結(jié)與展望：
作者采用一種新穎而簡便的原位催化合成方法，合成了具有三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的VN/CNTs氣凝膠混合材料。其中，所合成的VN/CNTs具有獨特的三明治結(jié)構(gòu)，顯著提高了電導(dǎo)率，可適用于應(yīng)變傳感器的導(dǎo)電材料。同時，作者使用微圖案模板的簡便方法研制了基于VN/CNTs的高靈敏度柔性應(yīng)變傳感器?；谝陨蟽?yōu)點，在VN納米片上排列的重疊CNT陣列的滑動和分離，在10％的小應(yīng)變下顯示出386的高應(yīng)變系數(shù)，以及顯示出快速響應(yīng)和出色的耐久性（1000次循環(huán)）等優(yōu)點。而且，該傳感器在檢測身體移動、聲音和醫(yī)療信號方面表現(xiàn)突出，并成功地將所制備的傳感器應(yīng)用于機器人手實時操控系統(tǒng)中，在人機交互的商業(yè)化方面顯示出巨大的潛力。
五、致謝：
感謝國家自然科學(xué)基金（51872139）、江蘇省自然科學(xué)基金會（BK20170045）、海外高層次人才引進計劃（千人計劃1211019）、江蘇省六大人才高峰項目（XCL-043）、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃（2019JLM-28）和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金的資助。
參考文獻：
Hongjian Zhang, Wenqi Han, Kui Xu, Yu Zhang, Yufei Lu, Zhentao Nie, Yuhang Du, Jixin Zhu*, Wei Huang*，?Metallic Sandwiched-Aerogel Hybrids Enabling Flexible and Stretchable Intelligent Sensor，Nano Letters, doi: 10.1021/acs.nanolett.0c00372.
