河北科技大学石宝博士、阎若思教授团队CEJ：用于人体运动信息采集的自供电三维一体式柔性压力传感系统

一、导读：

智能可穿戴领域的快速发展推动柔性电子器件的研发，目前大多数研究工作都集中在单个器件上，而医学监测、运动捕捉和人工智能领域是多功能的复杂系统，包括传感和供电器件。超级电容器和压力传感器可以作为能量存储器件和信息收集器件，相比刚性电池或能量采集器供电的传感系统。柔性器件可以与皮肤兼容，用于收集人体健康和身体运动等相关数据。因此迫切需要开发以一体化结构为集成传感器设备供电的高性能储能装置成为研究热点。

近日，河北科技大学纺织服装学院石宝博士、阎若思教授团队在《Chemical Engineering Journal》上发表题为“Self-Powered Three-Dimensional One-Piece Flexible Pressure Sensing System for Human Motion Information Aquisition”的学术论文，团队开发一体织造三维柔性织物制备超级电容器集成压力传感器形成可调控的柔性压力传感系统有效监测人体生命活动和运动捕捉。利用三维多孔网络有效提高离子传输能力和压力应变敏感性。在医疗监测领域具有良好的应用前景，形成长期无创评估的健康监测系统。论文第一作者为硕士研究生陈露，通讯作者为纺织服装学院石宝博士和阎若思教授。

二、研究内容

1、自供电压力传感系统的结构与组装

图1 基于Ti3C2Tx-MXene的自供电柔性压力传感系统原理图

2、MSC的储能性能及机理

探究发现其负极侧的可逆Zn2+沉积/剥离和正极离子吸附/解吸。在电流密度为1-10mA/cm2，电压窗口为1V的恒流充放电（GCD）曲线，表现出优异的线性和准三角形充放电曲线，经过10000次充放电循环后电容保持率为94.2%，库伦效率为97.1%。本研究的能量密度为11.25μWh·cm-2，功率密度为25mW·cm-2，优于同类型的报道。

图2 (a) MSC结构示意图 (b)涂覆MXene@SPN纤维 (c)电沉积Zn@SPN纤维 (d)峰值电流与扫描速率的关系确定b值 (e)MSC的结构和储能机理 (f) 5 ~ 200mv /s扫描速率下的CV曲线 (g)电流密度为1-10 mA/cm2时的GCD曲线 (h)等效电路和EIS曲线 (i)电流密度为10 mA/cm2的10,000次充放电循环下的库仑效率和电容保持率 (j)电容和扩散控制电荷对扫描速率的贡献率 (k)扫描速率为100 mV/s时，电容和扩散控制的贡献 (l) Ragone曲线。

3、MPS的压力传感性能及机理

设计并比较了织物高度、接结纱间距、织物密度、接结纱涂层情况的不同织造工艺参数对MPS电流响应的影响。在三层结构中中间层与顶层和底层的接触构成了有效的压力传感单元，而顶层和底层则充当了信号提取的柔性电极。研究表明MPS具有快速响应（60ms）、良好的灵敏度（0.153kPa -1）和循环稳定性（10000次）。我们采用机织工艺织造多像素点的3×3大面积纺织压力传感阵列，由9个矩阵组成，其可以有效识别机械刺激，仅在施加压力的特定矩阵产生局部压缩变形，从而引起电流变化，无明显信号串扰。

图3(a)MPS结构示意图 (b)结构优化 (c)0~3.4 kPa压力范围内的灵敏度拟合曲线及等效回路 (d)0.5 ~ 1.5 kPa压力范围内的电流-电压曲线(I-V) (e)MPS加载、卸载的结构变化和SEM图 (f)压力为1.3 kPa时的压力和电流响应曲线 (g)MPS的经纬向弯曲 (h)压力为1kpa的10,000次循环稳定性试验 (i)3 × 3纺织品压力传感阵列原理图 (j)压力映射图。

4、全尺寸自供电传感系统的性能研究

将面积为4cm 2的MSC和MPS串联驱动电表。当按压电表时，立即显示时间，表明其有效控制并驱动小型电子器件。为MSC充电30秒，MSC可以为MPS在1.3kPa的压力周期下供电250s。随着压力传感器的持续工作，I持续降低，但是相对电流变化(ΔI/I 0)几乎是恒定的，进一步观察自供电传感系统的续航能力及长时间使用的稳定性

图4 (a) PVA薄膜原理及原理图 (b)自供电传感系统等效电路 (c)驱动仪表 (d)电流变化 (e)1.3 kPa压力下的相对电流响应(ΔI/I0) (f)不同压力下1000次循环的稳定性

5、用于医疗保健监测的人体信息采集系统

实时监测患者康复情况及有效预防各种身体疾病是个人医疗保健设备的重要功能。我们开发的MSC集成MPS可以与被测者的运动同步监测。可以实现检测不同字母发音的喉部运动及周围肌肉振动产生微小行为、手指弯曲、膝盖弯曲、手肘运动、手腕弯曲及对于行走时脚底不同部位受力点进行足底压力测绘，能够长期监测病人身体情况，为病情诊疗提供长期有效且快捷精密的各项身体数据，最大程度帮助患者提高自身保护性和监督性。

图5 (a)区分不同的字母读音 (b)手指弯曲 (c)走路时屈膝 (d)弯曲肘部 (e)手腕屈曲有快有慢 (f)行走时脚底的受力点

三、小结

本研究开发了一种高性能自供电柔性传感器系统，以MXene为活性材料制备了具有三维一体式织物结构的柔性混合超级电容器和压力传感器，采用先进的三维织造技术制备了功能纱线。所开发的超级电容器具有良好的储能性能，压力传感器具有优异的传感性能。通过集成具有能量装置的传感系统实现压力响应性能且运行良好，微型超级电容器连续的为柔性压力传感器供电形成人体活动监视器。通过可穿戴设备能够长期监测病程的变化情况，为慢病诊疗提供长期准确的检测数据。

--检测服务--

原始文献：

Lu Chen, Bao Shi*, Wei Zhang, Xinying Liu, Ge Fang, Lixia Jia, Ruosi Yan*. Self-Powered Three-Dimensional One-Piece Flexible Pressure Sensing System for Human Motion Information Acquisition. Chemical Engineering Journal. 2024, 488, 150891.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150891.

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！