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  近年來，兼具力敏傳感能力和纖維形貌的壓阻纖維在可穿戴傳感器、電子皮膚和智能機(jī)器人等領(lǐng)域引起了廣泛的研究和關(guān)注。與傳統(tǒng)的薄膜狀傳感器相比，壓阻纖維雖具有高柔性、質(zhì)地輕、可編織和可集成等特點(diǎn)而表現(xiàn)出更多的可穿戴優(yōu)勢(shì)；但其尺寸較薄膜材料更小，使得壓阻傳感纖維往往具有比壓阻薄膜更低的壓縮靈敏度。為此，大量研究工作通過在纖維表面引入微褶皺結(jié)構(gòu)，并利用多根纖維相互搭接的方式來實(shí)現(xiàn)靈敏度的調(diào)控。然而，受限于纖維一維的結(jié)構(gòu)，目前構(gòu)筑微結(jié)構(gòu)的方法常采用對(duì)纖維“預(yù)拉伸-涂覆導(dǎo)電層-拉伸回復(fù)”的工藝流程。該方法不僅不利于微結(jié)構(gòu)的大批量制備，而且所得微結(jié)構(gòu)通常屬于低密度、各向異性，導(dǎo)致對(duì)壓阻纖維靈敏度的提升十分有限。此外，該工藝也常導(dǎo)致外部導(dǎo)電層和中心纖維之間的界面作用較弱。因此，如何大批量地開發(fā)同時(shí)具有高密度各向同性的褶皺結(jié)構(gòu)和堅(jiān)韌界面的高靈敏度壓阻纖維仍然充滿挑戰(zhàn)。

  生活中我們經(jīng)常會(huì)有這樣的經(jīng)驗(yàn)，手指長(zhǎng)時(shí)間地洗浴或游泳后很容易起皺，出現(xiàn)皺紋（pruney fingers）。這是因?yàn)槭种钙つw下的血管在水中發(fā)生收縮，進(jìn)而引起指尖體積縮小；縮小的血管與表皮出現(xiàn)模量失配后，引起表皮形成脊形褶皺。有趣的是，起皺后手指可以幫助我們更好地抓住潮濕或浸沒在水中的物體，就好像雨中的輪胎表面的紋路可以幫助排除路面的水分，從而實(shí)現(xiàn)在下雨天擁有很好的抓地力。

  受上述有趣的現(xiàn)象和其特殊的形成機(jī)制啟發(fā)，華南理工大學(xué)劉嵐教授課題組開發(fā)了一種由聚氨酯（TPU）纖維“核”結(jié)構(gòu)和聚吡咯 (PPy)褶皺導(dǎo)電“殼”結(jié)構(gòu)組成的新型核殼纖維“pruney fibers”。與血管收縮和表皮褶皺的形成非常相似，表面PPy各向同性褶皺的產(chǎn)生來源于TPU分子鏈的收縮和吡咯單體的同步原位聚合。而且，由于在該過程中PPy的生長(zhǎng)是沿著TPU分子鏈原位進(jìn)行并相互纏結(jié)，因此該方法獲得的PPy@TPU核殼界面具有很強(qiáng)的相互作用。而且，通過改變氧化劑的濃度可實(shí)現(xiàn)對(duì)各向同性PPy褶皺的波長(zhǎng)（1.2-10.2μm）的精準(zhǔn)調(diào)控。進(jìn)一步，將不同的褶皺纖維進(jìn)行搭接測(cè)試壓阻性能。研究表明，具有 6 μm 褶皺結(jié)構(gòu)的纖維具有高達(dá)0.15 kPa^-1的高壓縮靈敏度、47 ms的快速響應(yīng)和高穩(wěn)定性。最后，制備的壓阻纖維被成功地應(yīng)用于可穿戴運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和人機(jī)交互以控制電腦游戲，展示了它們?cè)谖磥砩锖歪t(yī)療保健領(lǐng)域的潛力。

圖1 (a)表面皺褶結(jié)構(gòu)的手指的數(shù)碼照片。(b)手指表面皺褶形成過程示意圖。(c, d) 表面褶皺纖維形成示意圖。(e) PPy@TPU 褶皺纖維整體制備工藝示意圖。

圖2 (a) TPU纖維、溶脹TPU纖維和PPy@TPU褶皺纖維的數(shù)碼照片。(b, c) PPy@TPU褶皺纖維的C 1s (b)和N 1s (c)XPS高分辨率光譜。(d) PPy@TPU褶皺纖維的表面SEM圖像。(e, f) PPy@TPU pruney 纖維橫截面的SEM圖像。(g)不同濃度APS制備的PPy@TPU褶皺纖維表面SEM圖：(Ⅰ)2 mmol/L，(Ⅱ)5 mmol/L，(Ⅲ)10 mmol/L，(Ⅳ)20 mmol/ L。(h) 基于5 mmol/L的APS濃度的PPy@TPU 褶皺纖維的3D 形態(tài)。(i)不同濃度APS 產(chǎn)生的表面褶皺的波長(zhǎng) (λ)。

圖3 (a)基于不同APS濃度的純TPU纖維和制備的PPy@TPU 褶皺纖維的機(jī)械性能。(b)不同濃度APS制備的PPy@TPU 褶皺纖維的表面電阻。(c)不同PPy@TPU 褶皺纖維隨應(yīng)變的電阻變化；插圖是前75%形變下的電阻放大圖。(d) PPy@TPU 褶皺纖維表面在100%應(yīng)變下的SEM圖，顯示出沿應(yīng)變方向的高取向和孤立的裂紋結(jié)構(gòu)。(e, f) 裂紋的放大SEM圖，證明了核殼間的堅(jiān)固界面。(g)使用兩個(gè)褶皺纖維組裝壓阻纖維的示意圖。(h) 不同壓阻纖維相對(duì)電阻隨壓力的變化，通過在不同 APS 濃度下反應(yīng)獲得。(i)壓阻傳感機(jī)制的示意圖。(j, k) 壓阻纖維的SEM圖顯示表面褶皺的接觸情況。(l)靈敏度與報(bào)道的壓阻纖維的壓縮靈敏度對(duì)比。

  該工作以《Pruney fingers-inspired highly stretchable and sensitive piezoresistive fibers with isotropic wrinkles and robust interfaces》為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上，第一作者為華南理工大學(xué)陳松博士，通訊作者為華南理工大學(xué)劉嵐教授。本研究得到了廣州市科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

  論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721045812