南开研发低维纳米传感器“读懂”人体“微表情”

应力传感器是把外部机械刺激转换成电阻变化输出的一种新型传感器，其在人体运动检测、人体健康监测、机器人等新兴应用领域中具有重大的应用前景。衡量应力传感器性能有两个重要指标，一个是感应灵敏度，另一个是工作形变范围。近日，南开大学梁嘉杰课题组首次利用了三种低维纳米材料的协同效应，很好地解决了应力传感器中高灵敏度与大工作形变的矛盾，极大的提高了应力传感器的器件性能。该传感器可通过简单的、低成本的丝网印刷技术制备。相关成果发表于《先进功能材料》，梁嘉杰教授为通讯作者。

“传统的应力传感器中，如果要实现高的灵敏度就必须利用坚硬的脆性的材料，而想保持大的工作形变范围就需要用到具有优秀柔性或弹性的材料，两者间的矛盾一直成为应力传感器发展的重要难题。”梁嘉杰介绍，由于材料结构的限制，传统的应力传感器难以同时具有高的灵敏度以及大的工作形变范围。梁嘉杰课题组设想能否利用多种纳米功能材料的协同效应，通过在刚性的具有层状结构主体材料中引入摩擦系数低的客体材料来提高主体材料的柔性，以此解决这个困扰科学家很长时间的难题。

基于此设想，梁嘉杰课题组利用三种低维材料的协同效应——零维的富勒烯，一维的金属银纳米线，以及二维的氧化石墨烯，制备出一种三元纳米复合材料。其中，一维的具有线状结构的银纳米线提供优异的导电性，二维的具有片层结构的氧化石墨烯提供材料的脆性以及可滑移的层状结构，零维的球状的富勒烯具有润滑性，可以降低材料的内摩擦，使得层状氧化石墨烯可以滑移。同时，该新型的应力传感器可以通过印刷法一步打印成型，具有重复性好，制备过程简单等优势，为实现真正的产品化提供很好的材料基础。

该课题组还把该新型的可穿戴的应力传感器穿戴在人体不同部位，用于全范围的人体运动的检测中，其中可以检测人手腕上由于脉搏跳动引起的微小的皮肤运动变化，并且把人体脉搏跳动的3个特征峰清晰的检测出来；同时，穿戴在颈部喉咙位置，可以清楚的检测出人体声带发声并辨认出不同的音节变化；此外，具有大形变的人体关节运动变化也能检测出来。

梁嘉杰介绍，该传感器可以在很大的工作形变范围内保持很高的响应灵敏度，同时还具有响应速度快，信号重复性好，工作稳定性高等优点。目前正在积极对接协调，推动该应力传感器在与人体运动检测和人体健康监测相关的可穿戴设备中得到应用。