第一作者：何静松

通讯作者：刘贤哲、黄爱萍、罗坚义

背景介绍及内容概述

呼吸是重要的生命体征之一，可用于健康评估和运动管理。柔性电阻应变传感器具有灵敏度高、线性度好和响应速度快等特点，为实时监测个人呼吸行为提供了机会。然而，电阻式应变传感器存在一些关键问题，如应变不匹配、接触性能差和湿度敏感性等，这些问题很容易引起电气噪声，从而限制了其应用场景。

近日，五邑大学应用物理与材料学院、柔性传感材料与器件研究开发中心罗坚义教授、黄爱萍教授、刘贤哲博士团队报道了一种新型可拉伸碳纤维束应变传感器（SCFBSS），该传感器在0-40% 拉伸应变下表现出高度的线性度（R²=0.99601），且具有优异的抗干扰性能（对弯曲、扭曲不敏感）、长期耐用性和防水性等特点。此外，还进一步开发了一套可穿戴呼吸监测系统，不仅能精确分辨不同的呼吸模式，提高早期疾病诊断的准确性，还能远程捕捉游泳过程中的实时呼吸信息，指导游泳训练等。这表明，我们的可拉伸应变传感器在用于健康监测和游泳运动呼吸训练指导的可穿戴电子设备和智能服装中具有巨大的应用潜力。

本文以”Waterproof, stretchable and wearable corrugated conductive carbon fiber strain sensors for underwater respiration monitoring and swimming instruction”为题发表在Applied Materials Today期刊上。

图1 实时监测游泳者呼吸状态的智能可穿戴水下呼吸监测系统

图2 (a)用于呼吸监测的智能衣示意图和SCFBSS的结构图；(b) SCFBSS拉伸应变的工作原理；

图3 (a) SCFBSS的拉伸应力-应变曲线；(b) SCFBSS在不同拉伸应变下的I-V特性曲线；(c) SCFBSS的相对电阻随外部拉伸应变的变化；(d) SCFBSS对逐步增加的循环载荷的动态响应；(e) SCFBSS在0至30%应变范围内的滞后曲线；(f) SCFBSS在水中洗涤后的电输出性能，插图显示了模拟的洗涤环境；(g) SCFBSS在空气和水环境中不同拉伸应变下的|∆R|/R₀变化；(h) SCFBSS在30%的拉伸应变下5000次循环的稳定性和可靠性，插图显示了中间周期放大的|∆R|/R₀波形；(i) SCFBSS在拉伸、释放、弯曲和扭曲等不同机械干扰下的抗干扰性能。

图4 SCFBSS捕捉到的各种呼吸状态：（a）正常呼吸；（b）快速呼吸；（c）缓慢呼吸；（d）深度呼吸；（e）潮式呼吸；（f）间断呼吸；(g) 模拟异常呼吸的连续呼吸监测，包括哮喘、呼吸暂停和窒息。

图5 智能呼吸监测系统在水下呼吸监测中的应用。(a) 智能呼吸监测系统监测效果图；（b）在空气中和（c）在水下的正常呼吸监测；(d) 志愿者在水中换气的呼吸监测，志愿者在水面上吸入空气，然后在浸入水中时逐渐呼出；(e) 志愿者三种呼吸换气模式的输出响应曲线：一划一呼吸、二划一呼吸和三划一呼吸。(f) 志愿者整个游泳过程的呼吸监测。

总结与展望

总之，基于CFB材料通过结构设计，制备出了一种新型SCFBSS，它具有出色的线性响应，能够对呼吸时胸廓运动引起的拉伸应变做出响应。该传感器具有出色的线性度（0~40% 拉伸应变下的 R²=0.99601）、抗机械干扰、优异的稳定性、长期耐用性和出色的防水性。与纺织背心集成在一起的SCFBSS对呼吸胸腔收缩和放松引起的轻微应变保持高灵敏度。它能精确捕捉呼吸的全部信息，有助于区分正常和异常的呼吸模式，提高医疗诊断的准确性。为了扩展SCFBSS的应用场景，我们开发了一种智能可穿戴呼吸监测系统，用于采集游泳时的实时呼吸信号，其数据可作为评估个人肺功能和指导游泳训练的参考。结果表明，我们的智能可穿戴呼吸监测系统可为开发用于各种日常活动中健康监测和运动管理的智能服装提供新的机遇。

作者及团队介绍

第一作者：何静松，男，五邑大学应用物理学院2021级材料与化工硕士研究生。

通讯作者：罗坚义，男，工学博士，教授，博士生导师，现任五邑大学应用物理与材料学院院长，五邑大学柔性传感材料与器件研究开发中心主任（创始人），国务院政府特殊津贴专家（2023），广东省杰出青年基金获得者，国家重点研发计划智能传感重点专项会评专家，南粤优秀教师，江门市首届“侨乡青年榜样”，江门市优秀科技工作者，江门市“十佳教师”。主要研究领域包括：柔性传感材料与器件应用（柔性触觉传感、温度传感、气压传感和弯曲传感等）；纳米功能材料合成；智能调光变色材料与器件。

通讯作者：黄爱萍，女，工学博士，教授级高级工程师、五邑大学教授，硕士生导师，中国电源学会磁技术专业委员会委员、中国电源学会会员、江门市一级高层次人才，《磁性材料及器件》青年编委。长期从事高性能软磁铁氧体材料研发及制造技术研究，科技成果“兼具双重特性高性能锰锌铁氧体材料”属于国际首创，开创了国内锰锌铁氧体新材料研究局部引领世界的先河，并实现了低成本产业化。主要研究方向：铁氧体、金属软磁及其复合材料的设计研发与制备技术；各类传感器（力学、气体、磁场等）的设计与应用研究。

通讯作者：刘贤哲，男，工学博士，讲师，硕士生导师，主持广东省基础与应用基础研究基金项目（青年基金项目）1项；主要研究方向为：柔性传感材料和器件及其应用研究、新型光电材料与器件、喷墨印刷柔性电子器件。

附文献及DOI号：

Waterproof, stretchable and wearable corrugated conductive carbon fiber strain sensors for underwater respiration monitoring and swimming instruction

DOI: 10.1016/j.apmt.2024.102165