几十年来，基于刚性材料的传统电子产品，如半导体、玻璃和复合材料，已经开发出来并在日常生活中得到广泛应用。如今，随着电子设备在便携式、可变形和可穿戴形式的应用日益广泛，需要具有柔韧性、弯曲性、滚动性和拉伸性等自由形状因子的非刚性材料电子产品。目前，可穿戴电子产品与物联网（IoT）相结合，可以实现各种信息的实时通信，因此受到广泛关注。考虑到这些需求，可穿戴和可伸缩电子设备已被积极开发和实施在个人医疗保健系统、软机器人、虚拟现实和人机交互等特定应用中。用作可穿戴平台基材的传统弹性聚合物具有较大的正泊松比（≈0.5），导致与人体皮肤的变形不匹配，在关节弯曲下多向拉长。这会导致基于弹性体的可穿戴设备出现实际问题，例如分层和脱落，导致功能可靠性差。

为了克服这个问题，来自韩国科学技术院的学者在弹性薄膜上应用了带有玻璃纤维的辅助结构机械加固，导致负泊松比 （NPR），这是一种类似皮肤的可拉伸基材 （SLSS）。考虑了用于确定辅助结构增强叶片的材料和几何尺寸的几个参数，以最大化NPR。基于数值模拟和数字图像相关分析，研究了SLSS的变形趋势和应变分布，并与原始弹性体基体进行了比较。由于应变定位特性，采用SLSS与Ag基弹性墨水和碳纳米管基力敏电阻制备了独立的应变压力传感系统。最后，证明了基于SLSS的传感器平台可以作为可穿戴设备实时监测手腕上的身体负担。相关文章以“Skin-like Omnidirectional Stretchable Platform with Negative Poisson’s Ratio for Wearable Strain–Pressure Simultaneous Sensor”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202208792

图1.皮肤状可拉伸基材（SLSS）的概念示意图和结构。a） 裸露弹性体、人体皮肤和 SLSS 的变形趋势。b） SLSS的结构由辅助结构增强结构域和原始弹性体结构域组成。c） 制造的 SLSS 的显微截面图像。d） 显示SLSS与手腕伸展下皮肤的保形接触特性的图像。

图2.仿真结果显示了SLSS的变形特性以及实现负泊松比（NPR）的材料考虑因素。a）SLSS的应力轮廓和变形，b）通过基于有限元法（FEM）的模拟计算出10%单轴应变下的PR，SLSS的增强域和原始域之间的弹性模量比值关系。c）不同增强材料组合的聚合物复合材料拉伸试验下的应力-应变曲线。

图3.在SLSS的结构设计中进行研究，以分析变形特性。a） 具有几何变量 a、b 和 h 的基于旋转方形单元的辅助结构的初始和 b） 变形形状。c） 通过数字图像相关 （DIC） 方法测量局部应变分布，并计算出嵌入辅助结构不同几何参数下 SLSS 的泊松比 （PR）。

图4.有和没有辅助结构玻璃织物的可拉伸基材的变形特性比较。a）裸弹性体和b）SLSS的数字图像相关（DIC）结果显示了单轴应变下的不同应变分布。c） 计算两个不同基板相对于沿 x 轴施加的单轴应变的 PR。d） 基材多轴拉伸的设置。在e）双轴和f）四轴应变下两种不同可拉伸基材的DIC结果。

图5.基于SLSS的传感器系统，能够进行独立的压力应变检测。a） 由银基弹性浆料 （AgEP） 和碳纳米管 （CNT） 基力敏电阻器 （FSR） 组成的制造传感器系统的摄影图像。b） 不同拉伸角度下沉积在刚性辅助结构上的AgEP电极的机电稳定性。c）在间隙区域形成的AgEP的应变敏感和d）压力不敏感特性。e） 安装在 SLSS 刚性旋转区域的基于 CNT 的 FSR 的压力敏感和 f） 应变不敏感特性。

图6.应用于智能腕带，以防止腕管综合症（CTS）在操作鼠标时。a） 基于SLSS的传感器平台实现的智能手环到商用腕带的示意图结构。b） 常规和垂直小鼠顺序操作期间压力和应变传感器的响应。c） 鼠标操作的摄影图像和来自智能手机应用程序的相应反馈，以通过蓝牙通信显示警告警报。

综上所述，本研究开发了一种基于生长超材料结构和材料性能工程的类皮肤可拉伸基材（SLSS）。通过基于有限元的数值模拟验证了所提的变形机理，该机理由于SLSS两个域（即辅助域和原始域）之间的模量差，在单向应变下具有全向拉伸能力。SLSS具有系统设计的结构和材料，使用基于溶液的聚合物工艺和激光图案化系统成功制造。采用数字图像相关（DIC）方法对SLSS的变形进行了表征，并与仿真结果进行了对比分析。基于SLSS特性，实现了可独立测量应变和压力的可穿戴传感器平台。最后，本研究证明了基于SLSS的传感器系统可以用作智能带，通过实时监控手腕上的身体负担来预防和恢复CTS。这项研究可能会对可穿戴电子设备产生潜在影响，因为它可以引入一种通用的可拉伸基板，可以提供可靠而准确的人体运动信息，从而为下一代行业实现实时医疗保健、虚拟现实(VR)和人机交互。