電阻式柔性應變傳感帶與人體運動監測

李思明， 胡佳雨， 董曼辰， 張雨琪， 許潤欣， 王心怡， 肖學良

(江南大學 紡織科學與工程學院，江蘇 無錫 214122)

近年來，隨著可穿戴電子服裝技術和人工智能技術的快速發展，醫療設備逐漸具有了可穿戴性、舒適性等特點，且能夠遠程操作、及時反饋，促進了可穿戴人體活動監測和個人健康監測技術的興起[1]。柔性可穿戴傳感器是可穿戴電子設備的重要組件，在各種可穿戴傳感器中，柔性應變傳感器因其結構簡單而成為應用最廣泛的傳感器之一。柔性應變傳感器將外界的刺激變形轉化為電阻或電容信號[2-3]，從而檢測各種生理信號，如手指等關節的運動、脈搏、呼吸、發聲等，并能記錄肌電圖和心電圖[4-6]。

一般情況下，應變傳感器是通過將導電材料沉積在柔性襯底表面或內部來制備的[7]。例如， NIE B B等[8]將多壁碳納米管(MWCNTs)嵌入聚二甲基硅氧烷(PDMS)中，制備出一種高透明、高靈敏度和可重復使用的傳感器，可檢測手腕彎曲、脈搏等信號。WANG Y L等[9]基于還原氧化石墨烯(RGO)修飾的柔性熱塑性聚氨酯(TPU)電紡纖維氈，研制了一種具有特殊三維導電網絡的柔性電阻式應變傳感器，具有良好的靈敏度、耐用性和穩定性。這些傳感器多為電阻式應變傳感器[10]，可將外加應變刺激引起的導電材料結構變形轉化為電阻變化，從而實現對應變的檢測。然而，高靈敏度和高拉伸性很難同時實現，這是因為高靈敏度要求傳感器的導電網絡容易斷裂，而高拉伸性要求導電網絡在變形時更加穩定。盡管應變傳感器具有廣闊的應用前景，但制造出兼具高拉伸性和高靈敏度的應變傳感器仍是一個巨大挑戰。

在眾多的導電材料和柔性襯底材料中，由于MWCNTs[11]具有良好的導電性、導熱性和不易損壞性，熱塑性彈性體(TPE)[12]具有高彈性、高強度和高回彈性，因此被廣泛應用。文中將熱塑性彈性體苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)與MWCNTs導電漿料熔融共混，通過模具均勻涂覆在丁苯橡膠(SBR)彈性布表面，制備出一種具有高拉伸性電阻感應的應變帶。文中利用自行搭建的測試平臺進行應變數據采集，并通過單片機技術和圖像處理軟件直觀呈現應變 -電阻的關系。

1 SEBS/MWCNTs應變帶制備

1.1 試劑與材料

1.1.1試劑 MWCNTs導電漿料(MWCNTs質量分數大于90%，平均直徑為5～10 nm，平均長度為10～30 μm；漿料溶劑為N-甲基吡咯烷酮(NMP)，質量分數為93%～98%，堆積密度為0.08～0.1 g/cm3)，深圳市圖靈進化科技有限公司制造；N,N-二甲基甲酰胺溶劑，上海維塔化學試劑有限公司提供。

1.1.2材料 丁苯橡膠(SBR)彈性布(俗稱SBR潛水料)，厚度為3 mm，面布為緯平織物(上下各一層，所用紗線為7.8tex/2.2tex滌綸-氨綸包覆紗，經密為21根/cm，緯密為35根/cm，厚度為0.2 mm)，材質為SBR內膠(夾層，厚度為2.6 mm)，廣州浪杰展現有限公司提供；E010E2(TPE)型SEBS母粒(零度)，深圳爍塑料科技有限公司提供。

1.2 儀器

VC890C+萬用表，勝利儀器有限公司制造；ME204E型電子天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司制造；ALJ-50HB 50 kg手動大行程拉力測試儀實驗機，福州艾普儀器有限公司制造；WDW-0.05型電子拉力實驗機，德卡精密量儀有限公司制造；DZF-6020真空干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司制造；YG141數字式織物厚度儀，寧波紡織儀器廠制造。

1.3 制備方法

取5 g SEBS母粒，加入到50 g N,N-二甲基甲酰胺溶劑中，75 ℃下加熱溶解，均勻攪拌40 min；在熔融溶液中加入5 g碳納米管顆粒，60 ℃下充分攪拌3 h；取一定量的導電溶液，采用絲網印刷法在彈性布上來回涂覆10次，制得一定厚度相對均勻的導電涂層；真空去氣泡30 min，常溫下固化3 h成型，得到具有高拉伸性能的SEBS/MWCNTs應變傳感帶，具體如圖1所示。通過織物厚度儀測得涂層平均厚度為0.15 mm。在無拉伸狀態下測試應變帶電阻值與長度的關系，結果見表1。

圖1 SEBS/MWCNTs應變傳感帶Fig.1 SEBS/MWCNTs strain sensing band

表1 無拉伸下應變帶電阻值與長度關系

Tab.1 Relationship between resistance value and length of strain band without tension

長度/mm電阻值/MΩ00.00200.26400.47600.60800.741000.88

2 性能測試

2.1 彈性回復性能測試

經涂敷工藝后，制備了SEBS/MWCNTs應變傳感帶，長140 mm，寬40 mm，厚3 mm，導電涂覆層在中間部位(長100 mm，寬10 mm)。使用無導電成分彈性布進行對比實驗，按GB/ T 1040—2006采用電子拉力實驗機進行測試，設置夾具初始間距為100 mm，拉伸速率為500 mm/min，考慮到實際應用情況，設置最大應變量為100%，拉伸1 000次后按下式計算彈性回復率：

ε0=(Ln-L0)/L0×100%

(1)

式中：ε0為彈性回復率；n為拉伸次數；L0為應變帶原始長度；Ln為拉伸n次后自然狀態下長度。

2.2 靈敏度測試

傳感器的靈敏度是傳感性能的重要指標之一[13]，指溫態時傳感器的輸出量與輸入量之比，可以從動態傳感測試中電阻的變化率反映出：

K=ΔR/R0

(2)

式中：K為電阻的變化率；R0為應變帶拉伸前對應的電阻；R為應變帶拉伸后對應的電阻；ΔR=R-R0。故文中應變傳感器帶的靈敏度為

S=K/ε

(3)

式中：S為靈敏度；ε為應變。

在眾多碳納米管基薄膜式應變傳感器中[1,14]，靈敏度隨著拉伸長度增加呈上升趨勢，這是因為在拉伸過程中，傳感器的電阻變化主要有3個過程[15]，即傳感器面內伸長、導電連接處斷裂以及導電連接處斷裂伸長。當拉伸傳感器時，導電連接處的斷裂和伸長使得電阻R0突增，從而增加了電阻變化率K，促進靈敏度S上升。

2.3 遲滯性測試

遲滯性指檢測系統在正向(輸入量增大)和反向(輸入量減小)行程期間，輸入與輸出特性曲線不一致的程度[16]。文中采用拉力儀對應變帶進行拉伸及回復實驗，在兩個過程中使用萬能表記錄相同應變程度時的電阻值(再轉化為相對電阻值)和應力值，可以分別得到電阻遲滯性、應力遲滯性與應變之間的關系圖。

2.4 重復性測試

重復性是指傳感器在檢測同一物理量時每次測量的不一致程度，也叫穩定性[17]。重復性能優異的傳感器才能重復使用。文中采用涂抹導電材料的應變帶進行循環拉伸測試，使用自行搭建的測試平臺對不同應變(20%,40%,60%,80%和100%)的電阻值進行記錄分析；在40%的應變下，研究應變帶重復拉伸500次后的電阻變化。

3 測試結果與分析

3.1 彈性回復性能測試結果

表2列出了制備的SEBS/MWCNTs應變傳感帶與無導電成分的彈性布拉伸循環測試結果，拉伸初始距離為100 mm，重復拉伸1 000次，每次均拉伸至200 mm處。結果表明，有導電成分和沒有導電成分的彈性布均具有較小的不可逆伸長率，分別為3.0%和2.8%。因此，所用的SBR彈性布具有良好的彈性性能，并且涂覆的導電成分幾乎不會影響其彈性性能。

表2 應變帶彈性回復性能測試結果

Tab.2 Results of strain band elastic recovery performance test

樣 品初始長度/mm1 000次循環后長度/mm不可逆伸長率/%具有導電成分彈性布100103.03.0不具有導電成分彈性布100102.82.8

3.2 靈敏度分析

圖2為應變帶的應變與電阻變化率關系。由式(3)可知，靈敏度即為應變- 電阻變化率曲線上點的斜率。由圖2可以看出，應變在0～60%時靈敏度為1.5，應變在60%～100%時靈敏度為5，即隨著應變的增大，靈敏度增大。

圖2 拉伸條件下應變-電阻關系Fig.2 Strain-resistance relationship under tensile

通過分析可知，熱塑性彈性體SEBS限制了MWCNTs的滑動，在相對較低的應力下，所涂覆的導電薄膜面內伸長，MWCNTs產生滑移，但并未斷裂；當應力增加時，MWCNTs之間的接觸點斷裂從而導致電阻快速增加。圖3為同一部位在不同應變下的表面形貌。由圖3可以看出，在應變增加的過程中，導電薄膜所產生的縫隙逐漸變大，從而導致電阻的增加。

圖3 同一部位不同應變下的表面形貌Fig.3 Surface topography at different strains in the same part

3.3 遲滯性分析

理想狀態下，傳感器的遲滯性曲線是一條重復的曲線，但是由于傳感器本身的響應以及織造過程中材料的缺陷，導致正行程和反行程之間存在差異。圖4為應變帶遲滯性曲線。由圖4可以看出，同一應變下，回復過程中的電阻變化率要比拉伸過程中的電阻變化率大，通過數據計算可得最大變化率差為20%左右；而拉伸過程中所需應力比回復時大，最大應力變化值為4 kPa左右。這是因為在回復過程中，彈性布會產生蠕變現象，需要一定時間回復到原始長度，蠕變會使應力偏小。對于性能優異的柔性傳感器而言，應變帶的電阻變化率遲滯性能需要進一步提高。

圖4 應變帶遲滯性曲線Fig.4 Strain band hysteresis curve

3.4 重復性分析

重復性能夠反映出傳感器保持其性能參數的能力。文中將所制作的應變帶在不同應變下各重復5次拉伸，得到電阻變化率曲線，具體如圖5所示。由圖5可知，不同應變(20%,40%,60%,80%和100%)下，電阻變化率的最大值不同，穩定的電阻變化率K能夠準確表達應變程度。圖6為所制作的應變帶在應變40%下重復500次的曲線。由圖6可知，當拉伸應變ε=40%時，應變帶的電阻變化率保持在45%左右。當重復次數增加時，電阻變化率略微增加，這是因為拉伸次數的增加破壞了MWCNTs之間的連接，產生了不可逆的斷裂，使得電阻變化率增加。因此，應變帶能夠滿足對人體關節等大應變的測量，但重復性性能有待進一步提高。

圖5 不同應變下電阻變化率曲線Fig.5 Resistivity change curve under different strains

圖6 40%應變下應變帶拉伸500次電阻變化率曲線Fig.6 Resistance change curve of 500 stretches of strain band under the strain at 40%

4 應用

將制作的薄膜應變傳感器運用于人體關節監測的研究已有很多，如COSTA P等[18]采用擠壓和噴印法制得SBS及碳納米管薄膜的壓阻傳感器，并用于手套上，以銀絲為導線，通過電子網絡技術實時采集手指彎曲運動的情況。該項技術在智能機器人領域具有很大的潛在應用價值。為進一步研究文中制作的應變帶的實用性，將應變帶分別縫合在緊身運動衣的膝關節和腹部(膝關節運動頻率為0.3 Hz，腹部運動頻率為0.4 Hz)，通過測試軟件實時記錄兩個部位運動周期的電阻變化。

圖7為腹部測試結果。當呼吸時腹部進行收縮循環，電阻變化率在20%左右，對應圖2可知其循環應變約為20%。圖8為肘部測試結果。當肘部進行伸直彎曲循環時，電阻變化率在35%左右，對應圖2可知其循環應變約為40%。圖7、圖8中實驗數據有所波動，是由于材料本身的缺點以及固定不穩。總體而言，不同部位由于運動幅度不同，對應的電阻變化率不同。未來可將導電材料涂覆在運動衣上，通過數據采集和無線藍牙等技術實時監測人體關節的運動。實驗結果表明，文中制備的彈性應變帶能準確測量不同部位的應變變化，在智能服裝和運動健身方面具有良好的應用價值。

圖7 呼吸時腹部電阻變化率曲線Fig.7 Abdominal resistivity change curve during breathing

圖8 肘關節彎曲電阻變化率曲線Fig.8 Elbow joint bending resistivity change curve

5 結語

文中以SEBS和MWCNTs導電漿料為原料，采用熔融涂覆法將混合溶液均勻涂覆在SBR彈性布上制備電阻式應變帶，研究應變帶的彈性回復性能及拉伸應變與電阻間的關系。實驗得出：在1 000次循環拉伸后，應變帶的不可逆伸長率為2.8%，數值較低，且導電成分不影響彈性布的彈性；應變帶的靈敏度隨著應變增加而增加，應變在0～60%時靈敏度為1.5，應變在60%～100%時靈敏度為5；應變帶電阻變化率遲滯性最大差值約為20%，需要進一步提高；所制備的碳納米管基柔性電阻式應變帶在不同的應變和500次循環下展現出良好的重復性和穩定性，滿足了柔性傳感器的要求。制備的碳納米管基柔性電阻式應變帶可應用于智能服裝和運動健身領域，為人體健康監測服的研究奠定一定基礎。