随着信息世界的发展，柔性触觉传感器与传统的刚性硅基传感器相比，具有许多优势，可以实现人体运动的数字化，实现人机交互。因此，人们在开发性能优异的柔性触觉传感器方面付出了大量的努力。然而，这些技术由于功能简单、结构复杂、成本极高而没有得到广泛应用。例如，大多数报告的目标是提高单一应变或压力灵敏度，但未能在设备中检测到它们。另外，大多数多功能传感器通常是封装在高分子材料中，与人体的贴合度不高，舒适度不理想。因此，多运动检测方法的研究和实现以及舒适的可穿戴体验对于拓宽柔性应变传感器的应用领域至关重要，这是迄今为止一个重要的研究挑战。
在此，宁波大学物理科学与技术学院王刚课题组报告了一种简单、可扩展、成本效益的方法，用于印刷和染色石墨烯基电子纺织品。导电膏选用高导电性的优质石墨烯和铜颗粒。基于天然纺织品的结构，说明了石墨烯基电子纺织品在多功能、舒适和高性能可穿戴传感器，包括压力、应变和弯曲传感器方面的优势。石墨烯基电子纺织品具有较高的导电性(36.2Sm1)、优异的柔韧性、显著的抗拉强度和耐洗涤性能。此外，基于石墨烯E-textile制备的可穿戴传感器具有高灵敏度(18.56kPa1)、正电导率响应、响应时间快、长期稳定性好和不需要聚合物材料封装的耐久性。研究表明，基于石墨烯的电子纺织弯曲传感器，其阻力随弯曲角度呈线性变化，为其在仿生机器人上的应用铺平了道路。该研究成果以““ConductiveGraphene-BasedE-textilesforHighlySensitive,Breathable,andWater-ResistantMultimodalGesture-DistinguishableSensor”为题发表在国际著名期刊JournalofMaterialsChemistryA上。
图1-石墨烯电子纺织品的快速生产。
石墨烯基电子纺织品应该是多功能的，而不影响典型纺织品的可洗性和舒适性。图1a说明了石墨烯基电子纺织品的制造过程。石墨烯基电子纺织品是通过浸涂、水处理和干燥等步骤得到的。选用高导电性的高质量石墨烯，通过气泡剥离法制备。与还原氧化石墨烯相比，原始石墨烯晶格缺陷较少，sp2结构的完整性更高，这使得涂层织物具有优越的电性能。铜颗粒还被添加到石墨烯涂层中，以提高织物的导电性。值得注意的是，Cu颗粒的含量可以控制石墨烯基电子纺织品的力学性能。在此，将聚醋酸乙烯(PVAc)加入石墨烯浆料中，以协助铜粒子的分散。浸渍涂覆后，将湿涂覆织物浸入在一个水槽中，以排除极性溶剂(NMP/DMF)，触发甲基三氯硅烷(MTCS)水解。在此过程中，溶剂和水之间的快速相分离导致涂层收缩，从而使织物的纤维结构能够保持透气。同时，MTCS与水反应生成甲基三羟硅烷前体。在高温干燥步骤中，前体经过缩聚形成高度疏水性和粘性的聚甲基硅氧烷(PMS)结构。得到的石墨烯基电子纺织品具有36.5S-1的高导电性，这是因为石墨烯片是通过铜粒子连接的，如图1b所示。这种显著的超疏水性能是由于石墨烯和疏水贴纸(PMS/PVAc)的高质量。为了研究石墨烯基电子纺织品的超疏水表面性能，在室温下对其静态水接触角进行了测量。与原始纺织品(亲水性:63度)相比，石墨烯基电子纺织品表面的水滴保持了接近球形的形状，静态接触角约为度，如图1c所示，证实了纤维表面的超疏水性。石墨烯电子纺织品的亲水性角随时间保持不变，而原始纺织品的亲水性角则从约63°下降到20°。
图2石墨烯电子纺织压力传感器机电性能评价。
石墨烯基电子纺织品的可洗性是决定其作为可穿戴设备和服装的实用性的另一个关键因素。因此，为了考察涂层的稳定性，将石墨烯基电子纺织品浸泡在液体洗涤剂中，在超声洗涤条件下进行清洗。观察到石墨烯基电子纺织品没有褪色。石墨烯纤维在清洗剂中超声清洗后，其形状和直径保持不变，未观察到涂层脱落现象。图1d证实了经多次洗涤后，石墨烯基电子纺织品的电性能保持不变;由此证明石墨烯面料具有完美的水可洗性，与现有服装面料一致。石墨烯的强疏水性为水的渗透提供了有效的屏障，使涂层更耐洗涤。还认为，超疏水性可以防止水和表面活性剂与石墨烯共同作用破坏涂层。此外，粘合剂提供一个强大的结合力，以抵御水在洗涤期间的冲刷。另一方面，之后的热处理也有利于石墨烯涂层与纤维的融合，这不同于传统的涂层方法通过范德华力将石墨烯与纤维连接起来。使用切下的石墨烯基电子纺织品条作为导线，可以串联发光二极管(LED)灯泡，显示石墨烯基电子纺织品优异的导电性(图1e)
图3石墨烯电子纺织压力传感器的机电性能。
研究了石墨烯基电子纺织品的力学性能，并与原始纺织品进行了比较。石墨烯E-textile纤维的强度约为2.37kPa(原始纺织纤维为1.69kPa)，表明在表面涂覆石墨烯染料不仅提高了电导率，还提高了机械强度。认为石墨烯E-textile纤维的机械强度高于原始纺织品有两个原因。首先，在PVAc/PMS复合材料表面涂覆高质量的石墨烯，石墨烯具有一定的机械强度。其次，将织物浸泡在极性有机溶剂中，然后在烤箱中加热，在加热过程中，高温可能使基体与粘合剂的界面熔化。与石墨烯的结合,整个结构表现出良好的导电性的薄层电阻54.8±13Ω□1和优良的机械性能。值得注意的是，由石墨烯染料制成的基于石墨烯的电子纺织品保持了纤维结构，即在水引发的相分离过程中，原始织物中的纤维相互独立。此外，独立的纺织结构表现出优越的透气性，显著减少了憋气、皮疹和皮肤炎症。
图4石墨烯电子纺织品可穿戴传感器在检测人体各种运动中的应用。
为了评估其长期可行性，以石墨烯为基础的电子纺织品、医用聚合物和硅酮薄膜作为对照，在食指上缠绕48小时。并对其优良的透气性和透气性进行了研究。石墨烯基电子纺织品表现出优异的水蒸气渗透性能。此外，超疏水表面有利于织物在日常穿着中的自清洁，而其多孔织物结构允许通风舒适。图1f的附图确定了石墨烯基电子纺织品的局部高分辨率区域，其中石墨烯织物的直径约为14μm，具有极佳的均匀性。纤维结构可以使导电路径在外部变形时发生变化，保证了电子纺织品的灵敏度。图1g中的图像显示了石墨烯涂层光纤的放大的SEM图像，显示了内部原始光纤和外部石墨烯外壳。石墨烯染料将原始纤维紧紧包裹，形成导电层。通过比较原始纤维和石墨烯纤维的直径来表征石墨烯涂层的厚度，可以推断石墨烯涂层的厚度约为1μm。相对较薄的涂层是至关重要的优良的柔韧性和透气性的涂层织物。合成的石墨烯基电子纺织品保持了与原始纺织品相当的柔韧性，显示出其容易弯曲和折叠的能力。更重要的是，这种简单的连续涂布方法有利于快速批量生产，并可用于商业用途。如图1h所示，通过该方法很容易获得一卷石墨烯E-textile(长度约为50m)。
图5使用石墨烯电子纺织品为机器人生产可穿戴弯曲传感器。
穿戴式压力传感器对1.5Pa的樱桃花瓣和2.3Pa的小雏菊花瓣立即做出响应，检测限低。如图3b所示，响应时间约为23ms。石墨烯基电子纺织品具有31ms的快速弛缓时间(图3c)，促进了对人体快速复杂运动的检测。我们认为，织物较高的结构完整性支持了传导通路的快速恢复。如图3d所示，在1~8Hz的测试频率范围内，该穿戴式压力传感器的相对变化与频率的关系可以忽略不计，适用于需要高灵敏度的检测设备。在每种压力下，传感器都显示出稳定的响应。在测试的小压力范围内，传感器电阻的相对变化显著增加。在日常使用中，耐用性是最重要的因素之一。图3f,在17.5kPa的压力下，经过多次的反复加载-卸载，电阻变化没有明显的退化，证实了石墨烯E-textile压力传感器在长期使用中的良好稳定性。
00:38图4显示了石墨烯电子纺织品传感器直接应用于皮肤，用于检测与身体相关的信号，如语音识别、书写识别、肌肉运动、脉搏、呼吸和运动辅助。基于石墨烯优异的弯曲监测能力，进一步将其应用于可穿戴式遥控系统，将压力传感器缝入手套的五指内，实现人机交互，如图5a所示。
综上所述，论文报道了一种快速、可伸缩、工业化生产石墨烯基电子纺织品的简单印染方法，该方法具有优异的导电性、柔韧性、疏水性、透气性和耐洗涤性。可穿戴传感器具有高灵敏度、稳定的循环性能、快速的响应/恢复时间，同时保持了原面料的透气性和舒适性。此外，当在皮肤表面进行生物相容性测试时，没有引起不适或炎症。这种高度敏感、灵活的可穿戴传感器能够检测呼吸、脉搏等生理信号，以及行走、跑步、骑马、写字和手指弯曲等身体运动。此外，弯曲传感器的电阻随弯曲角度呈线性变化。这些显著的特点使得柔性传感器可以很容易地应用于人机交互设备中。
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