ACS Nano：应用于柔软外骨骼的高灵敏度无线MXene应变传感器

高精度传感器是新出现的软外骨骼的基本组件，为复杂的机器人驱动提供实时电子反馈，压阻式应变传感器是闭环控制的基本必需品之一。软外骨骼的多自由度(DOF)特性对所需的应变传感器提出了几个新的挑战。首先，由于软的和有弹性的阀体能够实现可逆的大变形(通常在应变大于100%的情况下)，适用于软外骨骼的应变传感器需要在高工作应变下提供精确和可靠的信号。其次，随着高应变灵敏度的提高，对传感信号的线性度要求很高，这使得轻松的校准能够区分软外骨骼的不同驱动状态。第三，软外骨骼的多自由度运动进一步需要能够在多个单独的应变范围内监测多模态运动的传感设备。因此，为了满足软外骨骼的应用，需要进一步开发压阻式传感器的具体设计策略。

近期，新加坡国立大学Po-Yen Chen教授 在国际知名学术期刊ACS Nano上发表一篇题目为：Wireless Ti₃C₂T_x MXene Strain Sensor with Ultrahigh Sensitivity and Designated Working Windows for Soft Exoskeletons的研究论文，在这项工作中，通过开发支持NFC的无线MXene传感系统，解决了监测软外骨骼的多模式和多段动作的挑战，该系统具有超高灵敏度、高线性度的传感数据，以及用户指定选项的可调工作窗口。首先，为了调整MXene传感器的工作窗口，以满足软外骨骼的驱动应变，利用界面不稳定性在压阻MXene层上开发分层形态，其中平面内裂纹的传播被系统地控制。通过对压阻层的微观结构进行工程设计，可以将最终的MXene传感器的工作窗口从130％调整为> 900％，而不会牺牲其高灵敏度（传感系数（GF）>800）和数据线性度（测定系数（R²）≈0.96）。接下来，通过将MXene传感器与调节电阻连接，组装的应变感知模块在用户指定的应变范围内的多个工作窗口内显示了超高灵敏度(GF≥14000)和可靠的数据线性度(R²≈0.99)。此外，多传感器模块能够通过单一数据库通道监测多段机器人动作，大大减少了实时传感数据处理的负荷。最后，将MXene传感器模块与NFC技术集成，建立无线无电池传感系统，以监测各种软外骨骼的复杂动作，以协助手/腿的康复。

图1.压阻层工程微结构对裂纹扩展的管理。

图2. 具有高灵敏度和高应变线性工作窗口的多层ps-MXene纳米涂层的应变传感器。

图3. 具有多个高GF线性工作窗口的MMS模块。

图4.MSS模块用于集体监控多段机器人动作。

图5.NFC支持的无线传感系统用于监测多模机器人的动作。

图6.无线MMS和MSS传感系统作为软外骨骼的无电池电子皮肤。

     综上所述，本文开发了几种通用策略来管理压电阻ps-MXene层上平面内裂纹的传播，用于制作具有超高灵敏度和指定工作窗口的NFC无线传感系统，用于各种软性外骨骼。首先利用连续基板收缩过程中的界面不稳定性，在压阻层上构建分层ps-MXene拓扑，使所制造的应变传感器具有高灵敏度(GF > 800)和一个可调的线性工作窗口(从130%到900%)。此外，通过将调压电阻和NFC技术与已开发的ps-MXene传感器组装在一起，开发了无线无电池MMS和MSS传感系统来监测多路软外骨骼的动作。无线MMS传感系统能够在用户指定的工作窗口内感应软外骨骼的多模态驱动，具有超高灵敏度(GF ≥14000)和良好的数据线性度(R² > 0.95)，电阻信号通过智能手机无线传输和接收。无线MSS传感系统进一步实现了通过单个数据库的无线传输对机器人多段动作进行集中监测的更简便的方式。

文献链接：

https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c04730.