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  現代電子設備日益多樣化和復雜的需求推動了可拉伸和可穿戴電子設備的快速發展。其中，基于織物的可穿戴電子產品因其具有質輕、良好的柔韌性和生物相容性、可水洗性及內在的保暖舒適特性而備受人們青睞。然而，目前以織物為基礎的電子產品局限于單一的電信號輸入/輸出，需要用到外部的電子儀器對得到的電信號數據進行處理，因而外界刺激并不能直接被人眼可視化，限制了它在可視化智能人機交互中的多樣化應用；并且電信號容易在外界干擾下（溫度和濕度的變化）呈現出不規律的波動，從而在監測人體運動時造成測量誤差。

  有鑒于此，大連理工大學牛文斌、張淑芬教授等和加州大學洛杉磯分校的材料科學與工程系賀曦敏教授合作，將超分子光子彈性體和具有多層纖維結構的導電滌綸織物結合起來，合作開發設計并制備了一系列具有快速和持久的光電雙響應的交互力致變色電子織物（MET）傳感器，并進一步展示了它們在可視化可穿戴電子產品中的應用。

圖1 MET傳感器的結構與應用示意圖

  首先，他們通過聚四氫呋喃（PTMG）、異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）和1,5-戊二醇（PDO）之間的縮聚反應合成了一種氫鍵交聯的新型超分子彈性體（PTIP）。由于微相分離結構的存在，PTIP具有較大的拉伸應變（>1250%）、機械強度（2.0 MPa）、高韌性（17.6 kJ m^-3）和良好的機械回彈性能。其次，利用光子帶隙和氫鍵的協同作用，在超分子彈性體中嵌入三維光子晶體結構，制備了一種具有快速和可逆的力致變色特性的新型的超分子光子彈性體（PE）。另外，通過原子層沉積（ALD）在滌綸纖維表面化學共軸生長一層導電透明的Al摻雜ZnO（AZO） 薄膜，得到了一種具有分層纖維結構的導電滌綸織物（CPT）。合成的CPT具有優良的機電性能的獨特的負電阻響應。

圖2 （a）PTIP超分子彈性體的合成及結構；（b）MET傳感器的制備過程示意圖

  基于上述PE和CPT各自優異的光電特性，他們將二者耦合制備出一種新型的MET織物傳感器。得益于其獨特的半嵌入式結構，MET傳感器不僅表現出明顯的負電阻響應，而且在拉伸時還具有同步的力致變色能力。值得注意的是，MET傳感器具有明亮的結構顏色，高韌性(35.6 kJ m^-3)，優異的機械彈性，快速的光電響應(0.30 s)和恢復速度(0.22 s)，最重要的是，即使在3萬次拉伸/釋放周期后，MET傳感器的結構顏色和電響應仍然保持不變，具有優異的機械穩定性、可靠性和優良的穩定性。

圖3 MET傳感器的機械和力致變色性能

圖4 MET傳感器的機電和交互性能

  最后，考慮到MET傳感器對外界應變具有同步穩定的光電雙信號響應，他們進一步將它作為一種新型的可視化交互裝置，其中顏色變化可由人眼直接感知并通過光譜進行量化，電信號變化可由電子儀器準確記錄，從而實現了對人體各種關節運動的交互式、可視化、動態實時監測，為基于導電織物的可視化交互傳感器的實現開辟了道路。

圖5 MET傳感器作為一種可視化交互裝置的檢測人體關節運動

  相關成果發表近日發表在《Chemical Engineering Journal》上。論文的通訊作者為大連理工大學牛文斌教授，第一作者為化工學院博士生趙凱。

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894721024554