可穿戴传感器研究旨在开发能够模仿甚至超越人类皮肤感知功能的柔性传感器，例如，实现对自身形变和周围环境（如温度、湿度、气流等）的感知。近年来，人们对柔性应变、压力、温度和湿度传感器的研究日益增多，但是气流传感器却鲜有报道。气流传感器可实现对周围环境气流的实时监测，从而在柔性可穿戴领域发挥独特的价值。大自然给了人类很多灵感和启发。例如，蜘蛛可以灵敏感知到周围的潜在威胁，或者迅速捕捉猎物，研究发现，蜘蛛可以对从三米开外传来的声音做出反应，这对于身长只有几毫米、视力很差、没有耳膜的生物来说着实令人称奇。其实，这要归功于蜘蛛身上数量众多的绒毛，这些绒毛使得蜘蛛与外界环境接触面积大大增加，从而可以对空气中微弱的气流波动做出探测与响应，所以这些毛又被称为 “听毛”。
近日，清华大学张莹莹课题组受蜘蛛“听毛”结构的启发，设计了一种基于绒毛状导电织物的超灵敏柔性气流传感器。以丝绸作为原料，通过负载催化剂和高温气相沉积与丝蛋白裂解过程，实现了绒毛状碳纳米管在碳化丝绸上的原位生长，该绒毛织物中每根纤维都被绒毛状碳纳米管所包裹，与外界气流具有非常大的接触面积。由于碳纳米管具有良好的柔性，即使微小的气流也将引起其变形，从而使得整个结构的电阻发生变化，因此，依据其电阻与气流之间的依赖关系，可以用于制备气流传感器。该材料独特的结构赋予了气流传感器优越的性能，包括气流检测限低(~ 0.05 m/s)、响应时间短(~ 1.3 s)、对多角度气流的响应 (0°-90°)、以及良好的循环稳定性。此外,该超灵敏绒毛状织物基传感器还可以与普通碳化丝绸基气流传感器结合，用于实现宽气流检测范围 (0.05 -7.0 m/s)。在上述基础上，研究人员展示了该气流传感器的潜在应用。例如，佩戴在特殊工作环境的人员身上（例如矿井、超洁净间等），可监测外界气流变化并用LED灯泡的亮灭实时预警潜在危险；通过对传感器吹气，根据摩尔斯电码来传输信息；以及提醒在外行走的盲人附近有快速移动的物体，以进行碰撞预警等。该传感器的开发填补了可穿戴智能传感器研究中的空白。其便捷的制作方法、优越的传感性能、和良好的柔性与透气性有助于其在柔性智能纺织品和可穿戴电子领域发挥应用价值。
相关研究以“Bioinspired Fluffy Fabric with In Situ Grown Carbon Nanotubes for Ultrasensitive Wearable Airflow Sensor”为题发表于《Advanced Materials》上。
图1.蜘蛛的听毛及其放大图
图2 绒毛状织物基气流传感器的结构、工作原理与性能。
图3 该柔性气流传感器的应用展示。
视频1 当有气流作用于该柔性气流传感器时，红灯亮。
视频2 当该柔性气流传感器附近有人迅速经过时，蜂鸣器发出警报。
全文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.201908214
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来源：高分子科学前沿
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