【研究背景】

可穿戴电子传感设备具有广泛应用前景，从普通的智能手表到医疗器械中的生理监测模块。由于材料科学的蓬勃发展和对高性能器件的需求，从实验室研究到日常商业化已经涉及多种类型的压力传感器，如电容式、压电式和压阻式压力传感器。在这些类型中，压阻式传感器（基于压阻效应）占据了很大的市场，因为它们能够通过简单的读出系统将外部压力转换为电阻信号，而不仅仅是检测其他两种类型的瞬态/动态变形。纳米材料具有较大的比表面积和优异的表面特性，成为传感器的潜在候选者。将纳米材料附着在各种基板上形成微观结构和构建纳米材料微观结构是两个典型的应用方向。然而，通过将纳米材料附着在基板上构建的微观结构很容易在多次压力作用下发生塌陷。因此，如何在传感器的稳定性和灵敏度之间取得平衡，同时发挥纳米材料的优异表面性能，是我们目前的研究重点。

【成果简介】

2022年1月25日，国际权威学术期刊《Nano Energy》在线发表了华中科技大学武汉光电国家研究中心李露颖教授和高义华教授团队的最新研究成果“MXene/rGO/PS多物理网络结构用于高性能压力传感器”（MXene/rGO/PS spheres multiple physical networks as high-performance pressure sensor）。李露颖教授为论文通讯作者，硕士研究生李丽为第一作者。

【研究亮点】

柔性可穿戴传感器可以量化和可视化压力，从而在医疗监控、机器人、人造皮肤等实际应用中发挥着重要作用。高孔隙率气凝胶在压力传感器中具有良好的应用潜力。然而，气凝胶在长期循环压力下容易发生不可逆的变形，从而影响传感器性能。如何平衡高灵敏度和良好的循环稳定性依赖于仔细设计敏感组件。本研究提出了一种将气凝胶结构引入微小海绵网络的策略，大大缓解了不可逆变形，提高了传感器的循环稳定性。通过静电自组装，冷冻干燥和退火过程获得由三重形态网络（MXene / rGO气凝胶，PS球和海绵）组成的压阻海绵（MGP海绵）。通过将易碎的MXene/rGO气凝胶填充到海绵中，传感器可以在15，000次循环后仍保持超过90%的初始灵敏度（224 kPa⁻¹），并具有响应时间快（63 ms），可探测弯曲程度等优点。MGP海绵的微观工作机制也通过原位FIB-SEM技术和第一性原理计算从实验和理论层面得到揭示。MGP海绵传感器在各种应用中表现出色，例如监控人类活动，区分2D阵列上的重量，控制LED标志的亮度，感应操纵器手指运动等。

【图文导读】

图1.MGP海绵传感器的制备过程图示。

图2. MGP海绵及其结构、成分等的表征。

图3.MGP海绵的传感性能。

图4.MGP海绵的工作机制。

图5.MGP海绵传感器的应用（I组）。

图6.MGP海绵传感器的应用（II组）。

【总结与展望】

总之，MGP海绵传感器是通过浸涂，冷冻干燥，碳化和简单组装过程获得的。通过将MXene/rGO气凝胶引入弹性PU海绵结构中，大大提高了传感器的工作稳定性，缓解了气凝胶结构不可逆变形的问题。此外，PS球的引入可以增加导电通路，有助于提高MGP海绵的灵敏度。原位FIB-SEM清晰地揭示了传感器的工作机理。通过引入MXene增强传感性能也通过第一性原理计算在理论上得到了验证。MGP海绵传感器的性能测试表明，其在高灵敏度（115 kPa⁻¹）和循环稳定性（在大约15，000次循环后，可保持其初始值的90%以上）之间取得了平衡。除此之外，该传感器具有快速的响应和恢复时间（分别为63 ms和40 ms），还能检测频率变化的力，灵活感测弯曲和超轻重量等。

MGP海绵传感器在各种实际应用中也表现出色。它可以区分物体的不同重量（可检测米粒的重量）。在人体生理监测方面，MGP海绵传感器可以感知手腕脉搏，关节运动。在人工智能方面，MGP海绵可以监控机器人的运动或机械手手指的弯曲。此外，它还可以集成到传感阵列中来检测力的坐标，以及与蓝牙模块连接，进行无线压力探测、遥感和监测。它还可以用作"动态开关"来控制LED的亮度。因此，MGP海绵具有出色的传感性能和广泛的相关应用，是各种压力传感设备的理想候选者。

【文献链接】

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285522000714