随着个性化医疗保健系统的进步，可拉伸柔性电子器件在日常生活中得到了诸多应用，研究人员正致力于开发最先进的灵活可穿戴电子设备，用于监测人体运动、进行汗液分析、记录血压及输送药物等。
腮腺是人体最大的一对唾液腺，咽喉区的某些病毒或细菌感染与流行性腮腺炎或其他疾病有关，可能会导致大唾液腺的物理肿胀。如图1a所示，当健康皮肤因腮腺炎或其他问题而肿胀时，颌骨-耳朵周围会出现局部肿胀，理想的可穿戴应变传感器可以提供肌肉肿胀的信息（图1b）,输出的信息能够用于患者的进一步诊断或治疗。
针对当前人体肌肉肿胀实时监测的不足，近期来自阿卜杜拉国王科技大学的研究人员在Advancedfunctionalmaterials上发表了题为“ARobustWearablePoint-of-CareCNT-BasedStrainSensorforWirelesslyMonitoringThroat-RelatedIllnesses”的文章，介绍了一种基于单壁碳纳米管的灵活可穿戴压阻式应变传感器，能够对肌肉活动进行实时无线监测。
图1正常和肿胀的人体皮肤示意图及监测传感器
研究人员首先设计了一种聚合物/碳纳米管/聚合物的夹层结构，第一层Ecoflex（共聚酯）用于提供机械支撑及碳纳米管薄层所需的压阻弹性（图2a-h），其中Ecoflex表面用O2等离子体处理来增强碳纳米管和Ecoflex表面之间的粘附性，图2g为冲压工艺，以获得器件的最佳电气和机械性能，图2i中的银触点用于电气连接，最后在顶层用Ecoflex封装来防止器件的物理损坏和退化(图2j)，图2k，l中的光学和扫描电子显微镜图像显示碳纳米管簇的分布较为均匀。
图2碳纳米管-聚合物压阻式应变传感器的制备工艺及表征
然后研究人员使用万能拉伸试验机来测试传感贴片的面内响应，如图3a所示，传感贴片被夹紧并沿单轴方向进行单调拉伸，机电性能的测量结果如图3b所示。由于灵敏度或规格因子决定了贴片的机械强度和电气性能，研究人员将规格因子表示为ε的函数（图3c）。为了揭示电阻-应变的响应机制，研究人员除去了顶部的Ecoflex封装层，并拉伸了底部的Ecoflex及碳纳米管层，图3d为25%应变拉伸时的扫描电镜图像，拉伸后碳纳米管间的孔径变大至65nm，从而导致贴片的电阻升高，图3e、f分别显示了传感贴片在3个和50个周期内的响应，结果验证了贴片响应的精度和可重复性。
图3传感贴片机电响应的概念验证
由于人体肌肉的活动涉及面外变形，接着研究人员对传感贴片的面外响应进行了测试。研究人员首先定制了一个使用气压膨胀的致动器，外壳(蓝色)将致动器保持在适当的位置，只有顶部表面向外扩展。由于具有体积膨胀的传感贴片的规格系数应包括体积应变(εV)，为了计算球冠的体积，研究人员测量了球冠的初始半径(a)和高度(h)(图4a–d)，图4e显示了传感贴片在驱动后几何形状的变化。最后研究人员将传感贴片贴在人脸上进行验证(图4f)，并跟踪了初步的肌肉活动，正常(不吹气)、半吹气和全吹气阶段的响应结果如图4g所示。
图4传感贴片的性能评价和体积膨胀计算
为了确定应变传感器的机电鲁棒性，研究人员运用了数值计算进行了分析（图5a，b），结果表明，由于应力和应变集中在银触点和碳纳米管基层的界面上，因此很可能发生机械退化，但应力和应变非常低(0.18Mpa)，故传感器显示出较高的机械强度。然后研究人员使用导电银浆将传感器连接到BLE可编程片系统芯片上(图5c)，并将传感贴片和BLE系统贴在脸上，通过脸颊膨胀来测试贴片的性能，图5d显示了正常、呼气及谈话阶段的测试结果。
图5传感贴片的数值计算及无线输出信号
最后研究人员将上述传感贴片制成可穿戴设备进行应用。当注射器提供气动力时，致动器从外部区域对虚拟肌肉进行充气和膨胀，图6a描绘了正常和肿胀状态下假人颌骨-耳朵区域附近肌肉的状态，电阻随膨胀和松弛周期的相对变化结果表明，输出是高度可重复的（图6b）。由于该传感器预计要能够承受肌肉的复杂运动，研究人员证明了该传感器能够承受如弯曲和扭曲的强烈变形(图6c)，从而验证了其高机械可靠性。最后研究人员将肌肉运动与传感贴片电阻的相对变化相关联，相应的输出显示了肌肉膨胀/放松的程度（图6d）。
图6传感贴片的面部肌肉跟踪性能
综上，研究人员设计了一种可穿戴的压阻式应变传感器，用于实时监测肌肉的肿胀或放松状态，该传感器在面内和面外的机械变形方面表现出优异的性能，能够显示出贴片电阻的显著变化，并具有优异的机械可靠性和可重复性，未来有望成为一个优秀的个性化保健系统。
参考文献
NadeemQaiser,FhadAl-Modaf,SherjeelMunsifKhan,SohailFaizanShaikh,NazekEl-Atab,MuhammadMustafaHussain.ARobustWearablePoint-of-CareCNT-BasedStrainSensorforWirelesslyMonitoringThroat-RelatedIllnesses.Advancedfunctionalmaterials.(