第一作者：何靜松
通訊作者：劉賢哲、黃愛萍、羅堅義
背景介紹及內容概述
呼吸是重要的生命體征之一，可用于健康評估和運動管理。柔性電阻應變傳感器具有靈敏度高、線性度好和響應速度快等特點，為實時監測個人呼吸行為提供了機會。然而，電阻式應變傳感器存在一些關鍵問題，如應變不匹配、接觸性能差和濕度敏感性等，這些問題很容易引起電氣噪聲，從而限制了其應用場景。
近日，五邑大學應用物理與材料學院、柔性傳感材料與器件研究開發中心羅堅義教授、黃愛萍教授、劉賢哲博士團隊報道了一種新型可拉伸碳纖維束應變傳感器（SCFBSS），該傳感器在0-40% 拉伸應變下表現出高度的線性度（R2=0.99601），且具有優異的抗干擾性能（對彎曲、扭曲不敏感）、長期耐用性和防水性等特點。此外，還進一步開發了一套可穿戴呼吸監測系統，不僅能精確分辨不同的呼吸模式，提高早期疾病診斷的準確性，還能遠程捕捉游泳過程中的實時呼吸信息，指導游泳訓練等。這表明，我們的可拉伸應變傳感器在用于健康監測和游泳運動呼吸訓練指導的可穿戴電子設備和智能服裝中具有巨大的應用潛力。
本文以”Waterproof, stretchable and wearable corrugated conductive carbon fiber strain sensors for underwater respiration monitoring and swimming instruction”為題發表在Applied Materials Today期刊上。
圖1 實時監測游泳者呼吸狀態的智能可穿戴水下呼吸監測系統
圖2 (a)用于呼吸監測的智能衣示意圖和SCFBSS的結構圖；(b) SCFBSS拉伸應變的工作原理；
圖3 (a) SCFBSS的拉伸應力-應變曲線；(b) SCFBSS在不同拉伸應變下的I-V特性曲線；(c) SCFBSS的相對電阻隨外部拉伸應變的變化；(d) SCFBSS對逐步增加的循環載荷的動態響應；(e) SCFBSS在0至30%應變范圍內的滯后曲線；(f) SCFBSS在水中洗滌后的電輸出性能，插圖顯示了模擬的洗滌環境；(g) SCFBSS在空氣和水環境中不同拉伸應變下的|?R|/R0變化；(h) SCFBSS在30%的拉伸應變下5000次循環的穩定性和可靠性，插圖顯示了中間周期放大的|?R|/R0波形；(i) SCFBSS在拉伸、釋放、彎曲和扭曲等不同機械干擾下的抗干擾性能。
圖4 SCFBSS捕捉到的各種呼吸狀態：（a）正常呼吸；（b）快速呼吸；（c）緩慢呼吸；（d）深度呼吸；（e）潮式呼吸；（f）間斷呼吸；(g) 模擬異常呼吸的連續呼吸監測，包括哮喘、呼吸暫停和窒息。
圖5 智能呼吸監測系統在水下呼吸監測中的應用。(a) 智能呼吸監測系統監測效果圖；（b）在空氣中和（c）在水下的正常呼吸監測；(d) 志愿者在水中換氣的呼吸監測，志愿者在水面上吸入空氣，然后在浸入水中時逐漸呼出；(e) 志愿者三種呼吸換氣模式的輸出響應曲線：一劃一呼吸、二劃一呼吸和三劃一呼吸。(f) 志愿者整個游泳過程的呼吸監測。
總結與展望
總之，基于CFB材料通過結構設計，制備出了一種新型SCFBSS，它具有出色的線性響應，能夠對呼吸時胸廓運動引起的拉伸應變做出響應。該傳感器具有出色的線性度（0~40% 拉伸應變下的 R2=0.99601）、抗機械干擾、優異的穩定性、長期耐用性和出色的防水性。與紡織背心集成在一起的SCFBSS對呼吸胸腔收縮和放松引起的輕微應變保持高靈敏度。它能精確捕捉呼吸的全部信息，有助于區分正常和異常的呼吸模式，提高醫療診斷的準確性。為了擴展SCFBSS的應用場景，我們開發了一種智能可穿戴呼吸監測系統，用于采集游泳時的實時呼吸信號，其數據可作為評估個人肺功能和指導游泳訓練的參考。結果表明，我們的智能可穿戴呼吸監測系統可為開發用于各種日常活動中健康監測和運動管理的智能服裝提供新的機遇。
作者及團隊介紹
第一作者：何靜松，男，五邑大學應用物理學院2021級材料與化工碩士研究生。
通訊作者：羅堅義，男，工學博士，教授，博士生導師，現任五邑大學應用物理與材料學院院長，五邑大學柔性傳感材料與器件研究開發中心主任（創始人），國務院政府特殊津貼專家（2023），廣東省杰出青年基金獲得者，國家重點研發計劃智能傳感重點專項會評專家，南粵優秀教師，江門市首屆“僑鄉青年榜樣”，江門市優秀科技工作者，江門市“十佳教師”。主要研究領域包括：柔性傳感材料與器件應用（柔性觸覺傳感、溫度傳感、氣壓傳感和彎曲傳感等）；納米功能材料合成；智能調光變色材料與器件。
通訊作者：黃愛萍，女，工學博士，教授級高級工程師、五邑大學教授，碩士生導師，中國電源學會磁技術專業委員會委員、中國電源學會會員、江門市一級高層次人才，《磁性材料及器件》青年編委。長期從事高性能軟磁鐵氧體材料研發及制造技術研究，科技成果“兼具雙重特性高性能錳鋅鐵氧體材料”屬于國際首創，開創了國內錳鋅鐵氧體新材料研究局部引領世界的先河，并實現了低成本產業化。主要研究方向：鐵氧體、金屬軟磁及其復合材料的設計研發與制備技術；各類傳感器（力學、氣體、磁場等）的設計與應用研究。
通訊作者：劉賢哲，男，工學博士，講師，碩士生導師，主持廣東省基礎與應用基礎研究基金項目（青年基金項目）1項；主要研究方向為：柔性傳感材料和器件及其應用研究、新型光電材料與器件、噴墨印刷柔性電子器件。
附文獻及DOI號：
Waterproof, stretchable and wearable corrugated conductive carbon fiber strain sensors for underwater respiration monitoring and swimming instruction
DOI: 10.1016/j.apmt.2024.102165
