清华大学Adv. Mater.：有了这款超灵敏的全织物气流传感器，盲人出门在外不用怕！

【引言】

电子皮肤和智能纺织品最近在迅速发展。柔性的气流传感器的研究远远落后于被广泛研究的柔性应变/压力传感器、温度传感器和湿度传感器。柔性气流传感器在根据摩斯密码传递信息尤其有用。传统的气流传感器一直应用在天气监测、生物医药工程等领域。气流传感器的工作原理包括测量气流引起的温度变化或者机械变形。然而，传统气流传感器的刚性强、体积大、探测限高，因此传统的气流传感器不适合用于可穿戴电子器件。

大自然提供给人们一个气流监测的例子。蜘蛛能迅速知道小昆虫靠近它们，尽管它们视力很差。这是因为它们的听毛能感知附近的猎物引起的轻微的空气振动。

【成果简介】

近日，清华大学的张莹莹教授、青岛滚球体育 大学的何茂帅教授（共同通讯作者）等人受到蜘蛛听毛的启发，基于绒毛状碳纳米管(CNTs)在纤维表面的原位生长，设计了基于碳化丝稠 (CNTs/CSF)的超灵敏的全织物基气流传感器。这种气流传感器的响应时间约为1.3s，探测极限约为0.05 m s⁻¹。此外，这种气流传感器还能和纯织物气流传感器结合来实现宽气流范围的高灵敏探测。他们将这种气流传感器集成到衣服里，展示了这种用气流传感器能根据字母的摩斯密码来传递信息和提醒在外面行走的盲人注意由快速经过的车辆和行人引起的潜在危险。这种气流传感器性能优异、结构独特、柔性好，易于制备，会在智能纺织品和可穿戴电子器件有很多潜在的应用。

【图文导读】

图1.全织物气流传感器的制备过程、工作原理和照片

a)制备过程示意图

b)蜘蛛的听毛能对附近的猎物引起的空气振动做出响应

c)织物的光学照片

d)织物感知气流的示意图

e)气流传感器的光学照片

f)气流传感器的可弯曲性

g)基于织物的柔性电极

图2.通过一步化学气相沉积法制备的CNTs/CSF的表征

a,d)丝织品和CNTs/CSF的照片

b,e)丝织品和CNTs/CSF的放大的SEM图

c,f)丝织品和CNTs/CSF的拉曼光谱图

g–i)由浓度不同的催化剂溶液制备的CNTs/CSF的SEM图

j–l)由浓度不同的催化剂溶液制备的CNTs/CSF的TEM图

图3.CNTs/CSF气流传感器的性能

a)气流感应测试的示意图

b)电流的变化和气流速度的关系

c)不同气流角度下CNTs/CSF-0.1 传感器的感应曲线

d)不同气流角度、气流速度为1 m s⁻¹下CNTs/CSF-0.1 传感器的循环感应曲线

e)响应时间的确定

f) 电流的变化、气流速度和气流角度的三维等高线图

g)耐用性测试后，气流速度为2 m s⁻¹、气流角度为90°时，CNTs/CSF-0.1 传感器的循环感应曲线

h)气流速度为2 m s⁻¹、气流角度为90°时，500个循环内CNTs/CSF-0.1 传感器的信号

i)CNTs/CSF气流传感器和其他气流传感器的探测极限的对比

图4.CNTs/CSF气流传感器的工作原理

a)气流传感器对气流做出响应后结构和电阻发生变化的示意图

b)CSF表面的延长的和弯曲的CNTs的TEM图

c)导电织物的电路模型

d)整个气流传感器的等价电路图

图5.CNTs/CSF气流传感器的应用

a)集成的气流传感器的示意图

b,c) 传递 “SILK” 的摩斯密码

d)集成的气流探测系统的示意图

e)集成的气流探测系统的MODE I 。LED灯为绿色表示没有气流，红色表示有气流

f)集成的气流探测系统的MODE II。LED灯为绿色表示有气流，红色表示没有气流

g)集成的气流探测系统的MODE III 。 (i) 盲人过马路的示意图； (ii, iii) 一旦有人迅速擦肩而过，蜂鸣器会提醒盲人注意潜在的危险。

【小结】

研究团队受到了蜘蛛听毛的启发，设计了超灵敏、柔性的全织物气流传感器。它基于由丝织品上原位生长的CNTs制备的CNTs/CSF。它具有超低的探测极限、多角度气流差分响应和超快的响应。另外，它还具有优异的循环稳定性和耐用性。此外，它还能和纯织物气流传感器结合来实现高灵敏性、超低的探测极限和宽气流范围的探测。这种柔性气流传感器具有多方面的潜在应用，例如能根据字母的摩斯密码来传递信息和提醒在外面行走的盲人注意潜在的危险。这种柔性气流传感器性能优异、结构独特、柔性好、易于制备，预期会在智能纺织品和可穿戴电子器件有很多潜在的应用。

文献链接：Bioinspired Fluffy Fabric with In Situ Grown Carbon Nanotubes for Ultrasensitive Wearable Airflow Sensor

（Adv. Mater. 2020, DOI: 10.1002/adma.201908214）

团队简介：

清华大学张莹莹课题组致力于纳米碳与丝蛋白材料研究，开发其在柔性可穿戴器件方面的应用。团队以碳材料与丝蛋白材料的结构可控制备为基础，通过设计蚕丝-纳米碳复合材料，研究结构-性能关联与内在机制，设计制备了系列高性能柔性可穿戴器件，为柔性可穿戴系统的材料选择、理性设计和加工途径提供了新思路，取得了系列创新性成果。发表SCI论文90余篇，包括以通讯作者发表的Nat Nanotechnol、Nat Commun、Matt、Adv Mater、Nano Lett、Adv Funct Mater、ACS Nano等；被引用3700余次(Web of Science)，申请发明专利26项（获授权14项）。

更多信息请参考课题组网站：www.yyzhanggroup.com

青岛滚球体育 大学何茂帅课题组长期致力于碳纳米管的可控制备及生长机制研究，开发碳纳米管及复合材料在功能器件、水处理等方面的应用。团队以催化剂的开发为基础，通过设计新型催化剂，研究催化剂的活化、碳管在催化剂表面的成核生长等过程，选择性制备了一系列特定手性结构的单壁碳纳米管，为单壁碳纳米管在海水淡化、功能器件等方面的应用提供了材料基础，并取得了系列创新性成果。以第一作者和通讯作者在Sci. Adv.、J. Am. Chem. Soc.、Adv Mater 、ACS Nano等期刊上发表SCI论文60余篇，申请发明专利6项。

本文由kv1004供稿