背景
随着可穿戴电子产品和智能纺织品的发展，对能够与人类和环境进行感应、通信和交互的新型柔性设备的需求日益增长。在不同类型的柔性传感器中，压力和温度传感器尤为重要。压力传感器通常用于人机界面和医疗保健行业，温度传感器广泛用于个人和环境监控。
与基于柔性薄膜的传感器相比，多材料纤维技术由于织物结构的透气、耐用、耐磨和可拉伸性而具有独特的优势，尽管在基于纤维的传感器制造和应用方面取得了重大进展，但现有的纤维技术无法实现完全分布式的压力或温度传感。
亮点
近期，弗吉尼亚理工大学的Jia Xiaoting报道了一种具有高空间分辨率的分布式传感功能纤维的设计和制造。首次在热拉伸多材料纤维中使用电反射法，研究人员所制备的功能性纤维能够通过局部特性阻抗精确得出压力和温度变化的位置和强度，具有4 kPa和2°C的出色压力和温度灵敏度，这项工作将为功能性纤维和纺织品的压力和温度测绘指引了新的方向。
多材料纤维的制造
研究人员提供了一种将高熔点金属电极嵌入纤维以提供低阻抗连接的方法。将铜电极穿过预制件，当将软化的预制件拉入纤维中时，通道尺寸会减小并收敛在金属线上。
预制件地设计和拉伸过程如图1所示，将TPE层放在四个PC板之间并在真空炉中固化，外层由PVDF薄膜包裹；然后将组件加热并压制成固体预制件，拉伸前将两条电线穿过通道，随着纤维的拉伸，电极就被包裹在硬质PC层中。
压力传感纤维
研究人员将拉制纤维连接到HP8753D VNA进行分布式压力测量。如图2所示，当用手指向纤维的一段施加压力时，该部分的阻抗会降低，VNA显示与手指按压相对应的特征峰。
随后，为了量化纤维的压力响应，研究人员使用线性平台和数字刻度来将可重复的压力施加到纤维上，能够精确地显示出纤维对压力位置和大小的响应。
随后，研究人员探究了将纤维合并到二维测量网格结构中的潜力。如图3a所示，将连续的功能性纤维编织成网格并用手指施加压力，可以看出不仅在预期位置反射系数发生很大变化，并且还可以识别刺激的位置，显示了其出色的空间分辨率。
为了演示网格感知多个点和施加可变压力的能力，研究人员在网格上分别放置重量不同的两个重物，从图3e、f显示不同重物能够输出不同程度的响应，并且增加重量会导致振幅增加。表明该纤维材料具有极强的压力响应能力。
温度传感纤维
嵌入电极的纤维还可以用于检测温度变化。研究人员选择响应温度的聚合物材料设计并制造了测量温度变化的纤维。图4a、b示出了拉伸过程和纤维的横截面，并将纤维连接到图4c所示的热电冷却器（TEC），用于加热或冷却顶部附着的纤维。
当纤维通过TEC加热时，受热部分的阻抗大于相邻部分的阻抗，因此可以观察到特征峰出现。随后研究人员将纤维段从室温加热至85°C，如图4e，f所示，特征峰的幅度随温度升高而增加。这表明该纤维具有优异的温度响应性。
在本篇文章中，研究人员报道了两种能够分布式测量温度和压力的多材料聚合物纤维的设计和制造。成功地将功能性纤维的热拉伸和基于反射法的分布式传感方案相结合。我们相信这项工作将极大地扩展功能性纤维的压力和温度传感的技术革新，从而推动包括智能纺织品、可穿戴电子设备、伤口敷料和机器人皮肤等应用的技术突破！
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201908915
来源：高分子科学前沿