彎曲傳感器作為柔性可穿戴電子器件中不可或缺的一種，廣泛應用于人體健康監測、運動監測、以及人機交互。近十年來，研究者們主要基于兩種策略推動彎曲傳感器的發展。一種策略是設計與合成新型活性材料，如金屬納米粒子與納米線、導電聚合物、以及碳基材料等。材料創新雖然是拓展傳感器傳感功能的強有力工具，但新材料的工業成本難以預估。另二種策略是利用現有的商用材料，通過結構設計改善傳感器的性能。結構設計的優點是可以根據目標傳感功能挑選合適的低成本材料制備柔性傳感器。
五邑大學柔性傳感材料與器件研究開發中心的羅堅義教授團隊設計了一系列纖維結的結構模型（圖1）。根據此結構模型，將兩根纖維在柔性電路板（FPC）上簡單地鉤連成一個結，實現了一個具有方向性識別的彎曲傳感器。（此結構模型具有普適性，作者分別采用市場上購買的碳纖維、石墨烯纖維、以及不銹鋼纖維作為傳感材料，按照作者提出的結構模型制備的彎曲傳感器都具有方向性識別的特性）
▲圖1 纖維結結構模型圖
作者隨后對彎曲傳感器的性能進行表征，結果表明彎曲角度的大小和方向與電信號的關系可以通過理論公式（見公式1）進行描述。采用這種簡單可行的方法制備的彎曲傳感器還具有高分辨率（1°）、較寬的工作范圍（-90°至+90°）、以及動態彎曲耐久性好等優點。
(公式1)
▲圖2 彎曲傳感器應用于檢測關節彎曲
▲圖3 彎曲傳感器應用于檢測肌肉收縮（分辨最佳健身動作）
在應用方面，作者根據彎曲傳感器的特性分別將其應用于檢測關節彎曲和肌肉收縮（圖2，圖3）。在關節彎曲檢測中，彎曲傳感器除了可以識別關節彎曲的角度，還能分辨出關節彎曲的方向。在肌肉收縮檢測中，彎曲傳感器能夠識別出健身動作是引起肌肉收縮還是肌肉舒張，以及分辨出對肌肉鍛煉效果最佳的健身動作，對健身運動具有指導作用。
綜上所述，作者基于提出的結構模型，利用現有的導電纖維材料，采用一種簡單的方法制備了方向識別的彎曲傳感器。
以上成果以“Fiber-junction design for directional bending sensors”為題發表在柔性電子領域國際頂刊Nature合作期刊npj Flexible Electronics上，這項研究工作是在五邑大學柔性傳感材料與器件研究開發中心、五邑大學應用物理與材料學院、五邑大學智能制造部、五邑大學藝術學院、以及廣東天物新材料科技有限公司共同協作下進行的，文章的第一作者是五邑大學應用物理與材料學院2021屆碩士研究生李準董，通訊作者為五邑大學陳智明博士和羅堅義教授。此外，該研究還得到來自五邑大學智能制造學部和藝術設計學院的技術支持。
文獻及DOI：
Fiber-junction design for directional bending sensors.
DOI：10.1038/s41528-021-00102-2.
