足底压力分布情况和步态分析是反应人体日常生理信息的关键参数之一，这就促进了能够稳定和长期监测人体足底压力分布情况的便携式柔性传感系统的研究。然而，人体足部承受着复杂的动态或静态受力条件要求传感单元具备高灵敏度、宽传感范围和高服役稳定性等综合传感性能。可惜的是，现有的柔性压力传感器虽然在灵敏度或宽传感范围等方面取得进展，但是受其多层和多材结构的机械不适配限制，想要同时具备突出的服役稳定性依然存在挑战。
近日，四川大学杨俊龙、孔米秋团队与其合作者，介绍了一种基于单一的聚酰亚胺（PI）材料体系，通过调整PI的聚集态结构，在内部纤维以及纤维与电极层间引入了大量自融合界面，其结构具有PI基体优异的力学性能，该传感器可承受高达4000 kPa的超高压强，且具有出色的灵敏度（158.67 kPa-1）。结构内部大量的自融合界面赋予传感器出色的循环稳定性（1500kPa压强下150000次循环）和环境适应性（超高的复杂压缩应力（1969.6 kPa）和剪切应力(347.3 kPa)下10000次循环），由其制备的便携式柔性传感系统能够精确的检测人体在静态和动态条件下的足底压力分布情况。相关工作以“Integrated Fibrous Iontronic Pressure Sensors with High Sensitivity and Reliability for Human Plantar Pressure and Gait Analysis”发表在《ACS Nano》。
研究人员利用从聚酰胺酸（PAA）到PI的高温处理过程中发生的聚集态转变。使用相同的PAA作为基体，通过刮涂工艺制备PAA/碳纳米管薄膜作为电极层，再通过气流纺丝工艺制备PAA基离子纤维海绵作为介电层。三层结构（电极层-介电层-电极层）在压缩和高温亚胺化过程中，纤维与纤维间以及纤维与电极层薄膜间形成大量的自融合界面。整体结构表现良好的界面韧性（纤维与纤维间120 J m-2，纤维与电极层薄膜间60 J m-2）。此外，各层材料保留了PI优异的力学性能，且介电层与电极层材料的模量没有数量级的差异，避免了机械不适配问题。
图1. 集成式柔性压力传感器的设计原理和结构表征
得益于结构优异的力学性能、高孔隙率和离子传感特性，传感器表现出较高的灵敏度、超宽的传感范围、极低的检测极限和超快响应时间。此外，大量的自融合界面赋予传感器优异的服役稳定性和环境适应性，通过有限元分析，超高周循环和复杂受力循环进行了验证。
图2.集成式柔性压力传感器的传感特性、传感机理和服役稳定性
作者将集成式柔性压力传感器作为传感单元制备的便携式柔性传感系统能够稳定的检测正常足和异形足的动态和静态时的足底压力分布情况。
图3. 柔性传感系统在足底压力检测中的实际应用
得益于传感器的高灵敏度和超宽传感范围，柔性传感系统可以精确识别不同足型和足底异常受力区域的细微差异，获取的足底压力分布信息通过机器学习的辅助可以达到99.8%的识别率。
图4. 柔性传感系统在机器系统自主识别中的应用
作者还通过跑步和1h长期的足底压力监测进一步验证传感器的服役稳定性。
图5. 柔性传感系统在运动监测和健康康复方面的长期实际应用
视频. 柔性传感系统对足底压力变化的长期、稳定监测
总结：受人类皮肤非界面性质的启发，作者使用同种PI材料作为基体开发了一种集成式柔性压力传感器，其特征是自融合界面和高孔隙率层压离子纤维结构。使传感器在4000 kPa的超宽传感范围内表现出高灵敏度和高稳定性，并在复杂的应力条件下抵抗疲劳。开发的便携式柔性传感系统对足底压力分布情况的高精度检测和智能识别增强了可穿戴设备在健康检测、人机交互和医疗康复等领域的应用前景。
来源：高分子科学前沿
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