来源：Soft Science期刊编辑部
导读
在全球医疗监测需求快速增长的背景下，颈部姿势异常引发的急性斜颈问题亟需低成本、可穿戴的实时监测方案。传统计算机视觉技术存在便携性差、侵入性强等局限，难以满足日常健康管理需求。对此，中南大学阳军亮教授团队基于绿色印刷技术，创新性开发出石墨烯/碳纳米管复合织物应变传感器。该传感器采用环保溶剂Cyrene配置导电油墨，通过模板印刷工艺在弹性织物上构建导电网络，具备112%宽应变范围、GF>210高灵敏系数及超3000次循环稳定性。研究团队进一步研制出集成式睡眠监测系统，可同步追踪睡眠时颈部活动姿态与心电信号，为预防颈椎疾病、评估睡眠质量提供了无创、连续的创新解决方案。这种功能织物传感器还可拓展应用于关节运动、声带振动及脉搏监测，展现了柔性电子在智能医疗领域的巨大潜力。这项研究成果以 “Printed graphene/CNTs/TPU-fabric wearable strain sensor for healthcare monitoring”为题，发表在Soft Science上。
图片摘要
图文导读
本研究通过环保、低成本的印刷工艺制备石墨烯/碳纳米管/TPU织物应变传感器，分步构建了三阶段实验流程。材料制备采用超弹性织物为基底，以石墨烯和碳纳米管为核心导电材料，结合绿色溶剂Cyrene与TPU制备复合导电油墨---混合TPU、CNTs、石墨烯于Cyrene溶液中，经高速搅拌和梯度循环冷却实现均匀分散，形成粘度可控的导电墨水。传感器制造采用热转印纸（HT）预处理织物基底以增强附着力，通过模板印刷将油墨涂布于改性织物表面，经热压与固化制得传感器（图1）。
该传感器在基本传感性能方面展现出超宽应变范围（>112%）与高灵敏度（GF>210），且在0%-112%范围内保持优异线性度（R²≈0.993），可兼顾大范围人体运动与细微生理信号（如脉搏）检测。循环耐久性测试（20%应变下3000次循环）显示其电阻变化逐渐稳定，仅在前两周期因微裂纹扩展导致响应峰值小幅上升，后续曲线高度重合，证明其长期可靠性。响应速度在5%应变下表现出毫秒级实时性（加载166ms，卸载662ms），适应高频动态动作（如关节快速弯曲）。频率依赖性测试（0.05-1Hz）进一步验证其在多频率下的稳定响应，基线电阻虽因基底弹性恢复延迟随频率升高略有偏移，但仍能精准区分不同拉伸幅度（图2）。
本研究通过SEM揭示石墨烯/CNTs复合传感器的导电机制由微裂纹扩展主导：未拉伸时材料形成连续导电网络；低应变（0-20%）下表面生成21.7μm均匀微裂纹，电阻线性上升；中高应变（20-40%）裂纹迅速扩展至97.2μm，电阻骤增；卸载后裂纹部分闭合，导致基线偏移。石墨烯片层断裂提升灵敏度，CNTs作为裂纹间导电桥梁缓解网络断裂，结合TPU弹性与HT纸界面增强，实现高循环稳定性（3000次后响应衰减<5%），从微观层面支撑了宽量程、高灵敏的传感性能（图3）。
图3 石墨烯/碳纳米管/TPU织物应变传感器的传感机制
本研究验证了石墨烯/CNTs-TPU传感器在健康监测中的多场景适用性：贴附于人体关节（指、肘、膝等）时，可精准检测不同弯曲角度的电阻响应，信号幅值与弯曲程度呈正相关；监测喉部声带振动时，可同步识别发声频率，并区分说话与吞咽动作；在脉搏监测中能清晰分辨收缩波（主峰）与舒张波（次峰），且在ECG检测中表现出与商用电极相当的性能（图4）。此外，集成传感器构建的睡眠监测系统可实现颈部运动和心电信号的连续采集，验证了其在长期可穿戴医疗监测中的应用潜力（图5）。
图4 石墨烯/碳纳米管/TPU织物应变传感器在健康监测中的性能测试
图5 石墨烯/碳纳米管/TPU织物应变传感器在睡眠监测中的应用
总结与展望
本研究设计了一种基于绿色溶剂和印刷技术的高性能低成本应变传感器，通过石墨烯/碳纳米管/热塑性聚氨酯（TPU）复合材料的协同效应，实现了宽检测范围（0%~112%）、高灵敏度（GF>210）、极低检测限（约0.1%）、优异响应对称性及超过3,000次循环的长期稳定性。通过宏观性能测试结合微观SEM表征，揭示了微裂纹扩展主导的导电机制：低应变时生成均匀裂纹致电阻线性上升，高应变阶段裂纹剧烈扩张引发电阻非线性骤增，卸载后残留裂纹导致基线偏移。集成该传感器的无线系统已成功应用于人体关节运动、声带活动、脉搏及心电监测，并构建了睡眠姿态监测平台，验证了其在可穿戴医疗领域的应用潜力。
