清华大学的科学家首次展示了一种柔性应变传感器设计，该设计基于包含平行排列和随机排列的碳纳米纤维 (CNF) 的集成膜设计，实现了高灵敏度和宽应变检测范围。平行排列的 CNF 膜表现出低应变检测限和高灵敏度，而随机排列的 CNF 膜表现出较大的应变检测范围。图片来源：清华大学 纳米研究中心

得益于采用复合材料的创新制造技术，可穿戴柔性应变传感器可以实时、高精度地监测人体皮肤的微小振动。高灵敏度和宽工作范围是高质量应变传感器的关键参数，但由于结构和导电性的限制，很难在同一传感器上同时实现这两种特性。

在最近的一项研究中，清华大学的研究人员首次提出了一种柔性应变传感器设计，其膜由堆叠平行且随机排列的碳纳米纤维（CNF）制成，可实现高灵敏度和宽应变检测范围。

该研究发表在《纳米研究》杂志上。

柔性应变传感器可用于健康和活动监测、智能纺织品和人机交互。清华大学研究团队设计了一种用于唇语识别系统的柔性应变传感器，该系统可以帮助声带受损的人进行日常交流。

“唇语识别系统可以直接、快速地为声带受损的人翻译句子，”清华大学第一作者彭毕说。“这大大减少了日常交流中的障碍。”

为了实现这一目的，柔性传感器需要能够收集面部肌肉大幅度运动的信息，同时还能区分更细微的变化。“满足这一要求的唯一方法是制备一种既具有高灵敏度又具有宽应变检测范围的柔性应变传感器，”毕说。

与由坚硬、笨重的金属制成的传统传感器不同，柔性传感器可以移动并贴合人体皮肤，而不会引起不适。这类传感器通常由弹性聚合物与导电材料（如石墨烯、碳纳米管、金属纳米颗粒、金属纳米线或液态金属）结合制成，这使得它们可以集成到衣服中或直接粘附在人体皮肤上。

到目前为止，大多数已报道的可穿戴应变传感器要么具有较大的工作应变范围，要么具有较高的灵敏度，但并非两者兼具。根据材料的不同，具有较大应变检测范围的应变传感器可以弯曲或拉伸超过 400%。然而，具有较大应变检测范围的传感器通常具有较低的应变系数值，这是灵敏度的指标，指的是检测皮肤下微小振动的能力有限。

这两个有利特性似乎是相互排斥的：为了实现高灵敏度，微结构传感层的导电性需要在检测到振动时发生显著变化。相反，为了实现宽传感范围，传感层应该持续导电，即使在较大的拉伸应变下也是如此。因此，高灵敏度和宽应变检测范围似乎是遥不可及的，尤其是对于由单一导电介质组成的传感器而言。

毕和清华大学团队制定了一项策略来同时实现这两个期望的功能。

当膜的碳纳米纤维平行排列（p-CNF）时，膜表现出较低的应变检测限和较高的灵敏度，而随机排列的 CNF（r-CNF）膜表现出更宽的应变检测范围。通过堆叠平行和随机排列的碳纳米纤维膜，研究人员实现了具有高灵敏度和宽应变检测范围的柔性应变传感器。

“值得注意的是，所获得的基于 p/r-CNF 的应变传感器的应变检测极限低至 0.005%，而对于 0.5% 以下的应变，应变系数值高达 1272。”Bi 说道，“同时，其最大应变检测极限为 100%，满足检测大多数人体运动的要求。”

研究团队证明，该传感器可以准确区分关节弯曲等大动作，还能检测面部表情、眼球转动、脉搏和说话等细微动作。

为了验证这一概念，他们通过集成 p/r-CNF 应变传感器、Arduino 和扬声器开发了一种智能唇语识别系统。该系统可以“读唇”，通过解读唇部动作来正确跟踪音标，然后执行相应的指令，例如输出灯光或音频信号。

毕说：“该识别系统有可能帮助有语言障碍的人，证明了这种应变传感器在健康管理和医疗救助方面的潜力。”

目前唇语识别系统仅能应对有限的交流场景和地点。

“我们将拓展唇语识别系统的应用场景，提高佩戴的舒适度和便携性。”毕说，“我们希望这种可穿戴设备能成为声带损伤患者的第二个嘴巴，减轻此类损伤对人们日常生活的影响。”

p/r-CNF应变传感器的双对准结构设计也可应用于其他高性能传感器的设计。