本研究报告介绍并评述了由Rui Wang、Xiaoyang Zhu、Luanfa Sun、Shuai Shang、Hongke Li、Wensong Ge和Hongbo Lan等研究人员完成，并于2021年12月30日在线发表于学术期刊《Nanomaterials》（卷12，期1，文章120）上的一项原创性研究。该研究团队主要来自中国青岛理工大学的山东省增材制造工程研究中心及工业流体节能与污染控制教育部重点实验室。研究主题为一种具有高灵敏度与透明度的柔性应变传感器的低成本、高效制造新方法，属于纳米材料、柔性电子与增材制造（3D打印）的交叉领域。
随着健康监测、电子皮肤、可穿戴设备和人机交互等领域的快速发展，对兼具高灵敏度、宽检测范围、良好拉伸性以及光学透明度的柔性应变传感器的需求日益迫切。传统的应变传感器往往为了追求灵敏度与拉伸性而牺牲了透明度，限制了其在面部、颈部等可见部位的应用。目前，制备高性能应变传感器常采用复杂的工艺，如微裂纹结构设计，虽能实现高灵敏度，但过程耗时且材料浪费严重。另一方面，新兴的3D打印技术，如熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling, FDM）和直接墨水书写（Direct Ink Writing, DIW），虽然为传感器制造提供了新途径，但也存在打印材料需高温预处理、打印表面粗糙、喷嘴易堵塞等问题。因此，开发一种高效、低成本且适合批量生产的高性能透明应变传感器制备技术具有重要的科学意义和应用价值。本研究旨在解决上述挑战，通过一种创新的混合制造工艺，结合电场驱动（Electric Field-Driven, EFD）微尺度3D打印和模塑成型技术，来制造嵌入多壁碳纳米管（Multi-Walled Carbon Nanotube, MWCNT）网络的透明聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）通道薄膜，从而获得兼具高灵敏度、优异拉伸性、良好稳定性与高透明度的柔性应变传感器。
研究的详细工作流程可分为几个核心步骤。首先，是PDMS通道薄膜的制备。研究人员采用了一种电场驱动微尺度3D打印与模塑相结合的混合工艺。具体流程如下：1. 模具制备：在玻璃基底上旋涂一层20微米厚的液态PDMS（预聚物与固化剂比例为10:1）并固化，形成疏水表面。然后，利用EFD微尺度3D打印技术在该疏水表面上沉积银网格结构（线宽20微米，打印5层）。银浆在100°C下固化30分钟以增强硬度，此银网格结构作为后续PDMS成型的负模。2. 通道成型：将PDMS预聚物与固化剂按特定比例（研究中主要比较了10:1, 15:1, 20:1）均匀混合并脱气。将该混合物滴铸到带有银网格的PDMS基底上，然后在100°C热板上固化30分钟。固化后，将带有反刻（即凸起）通道结构的PDMS薄膜从基底上剥离，得到柔性透明的PDMS通道薄膜。这一步骤的创新性在于利用EFD打印高精度银网格作为模具，避免了传统FDM打印网格结构时交叉点堆叠不整齐的问题，实现了通道结构的简易、高一致性制造。
其次，是MWCNT导电网络的嵌入与传感器的最终组装。由于选用的MWCNT是水分散液，而PDMS本质疏水，为了实现MWCNT溶液在PDMS通道内的良好填充，研究人员对PDMS薄膜通道表面进行了亲水化处理（使用1%的乙烯基三乙氧基硅烷水溶液浸泡2小时）。随后，将MWCNT溶液倾倒在PDMS薄膜一侧，并用刮刀以恒定速度拖动。在毛细管力的作用下，MWCNT溶液被填充到PDMS通道内。接着，在70°C热板上干燥3分钟，使通道内的MWCNT固化，并用乙醇辅助刮擦去除PDMS膜表面多余的MWCNT，从而在PDMS通道内部形成了嵌入的MWCNT导电网络。为了获得可靠的电连接，在导电路径的两端涂覆一层薄薄的银浆并固化，以降低接触电阻，再粘贴柔性导电胶带并用液态金属层增强连接。最后，用PDMS封装接触点，以保护其在工作中稳定可靠。
在性能表征方面，研究团队系统地测试了传感器的各项关键指标。他们使用拉伸试验机对传感器薄膜施加不同应变，并用电阻测试仪测量电阻变化。光学透过率使用紫外-可见分光光度计测量。通道裂纹结构的形貌则通过场发射扫描电子显微镜（SEM）进行表征。数据分析主要围绕传感器的灵敏度（以应变因子Gauge Factor, GF表征）、检测范围、响应/恢复时间、机械稳定性（循环拉伸测试）和光学透明度展开。
本研究取得了一系列重要的结果。首先，研究人员系统探讨了PDMS预聚物与固化剂比例对传感器性能的双重影响。实验发现，比例对MWCNT的填充效果和通道网络的机械保护作用有显著影响。在10:1比例下，MWCNT填充充分，通道内无明显裂纹，传感器能承受的最大应变可达33%，但灵敏度相对较低（在14%应变下δR/R0约为1000）。在20:1比例下，PDMS更柔软，MWCNT填充量少且裂纹明显，传感器灵敏度最高（14%应变下δR/R0达5300），但最大可承受应变仅为14%，动态稳定性差。在15:1比例下，传感器在灵敏度（14%应变下δR/R0为4000，GF为285）和检测范围（最大应变20%）之间取得了良好平衡，因此被选为后续深入研究的最优比例。
对于基于15:1比例制备的传感器，其性能表现优异。灵敏度方面，传感器在6.6%、14%和20%应变下的应变因子（GF）分别达到90、285和1500，表现出极高的灵敏度，其性能可与多数已报道的MWCNT基应变传感器相媲美。其工作机制主要源于拉伸过程中MWCNT网络内部裂纹的扩展与重新连接，从而引起电阻的显著变化。响应速度方面，传感器在14%应变下的响应时间和恢复时间均为600毫秒，显示出快速的反应能力，适用于实时人体运动监测。机械稳定性方面，传感器在14%应变下经历了8000次拉伸-释放循环测试，其相对电阻变化（δR/R0）始终在0%至4200%之间稳定变化，且每次释放后电阻都能回到初始状态，证明了其优异的耐久性和可靠性。这归功于PDMS通道结构为MWCNT裂纹的伸展提供了良好的界面稳定性，且MWCNT在通道内形成与PDMS三面接触的3D结构，优于传统2D沉积结构。光学透明度方面，经过亲水处理的传感器透光率仍达到84%，在保证良好导电性的同时，满足了可穿戴设备对视觉隐蔽性的要求。
在应用验证部分，研究展示了该透明应变传感器在监测多种人体运动方面的潜力。通过将传感器贴附在人体不同部位，成功监测并记录了手腕弯曲、手指弯曲、颈部弯曲、眨眼活动、吞咽动作以及微笑表情（下巴肌肉运动）引起的电阻变化信号。传感器对不同幅度和类型的运动均能产生清晰、可区分的电信号响应，例如手腕弯曲时δR/R0可达8000%，而吞咽等细微活动也能产生超过70%的显著信号变化，证明了其在实际可穿戴健康和运动监测应用中的可行性和有效性。
本研究成功提出并验证了一种基于电场驱动微尺度3D打印与模塑混合工艺制备嵌入式MWCNT网络透明应变传感器的新方法。该方法的科学价值在于：1）提供了一种高效、低成本且适合批量生产的柔性传感器制造新策略，克服了传统微裂纹制备方法耗时耗材以及某些3D打印技术自身的局限性。2）深入揭示了PDMS基体比例对传感器灵敏度与拉伸性能的权衡机制，为同类传感器的性能优化提供了理论依据。3）制备的传感器实现了高灵敏度（GF高达1500）、宽工作范围（应变达20%）、高透明度（84%）、快速响应（600 ms）及优异循环稳定性（8000次）的优异综合性能。其应用价值显著，所制备的高透明度传感器可以贴附于人体可见部位而不引人注目，极大地拓展了其在电子皮肤、个性化健康监测、人机交互界面等领域的应用前景。该工作为3D打印技术在可穿戴电子设备领域的应用开辟了新的技术路线。
本研究的亮点突出体现在以下几个方面：第一，工艺创新性：提出了“EFD微尺度3D打印银网格模具 + PDMS模塑 + 毛细管力填充MWCNT”的混合制造工艺。该工艺结合了EFD打印的高精度、高自由度和模塑工艺的批量复制能力，实现了复杂微通道结构的高效、低成本制造。第二，结构设计新颖：创造了“PDMS封装通道内嵌MWCNT网络”的传感器结构。这种设计将敏感的导电材料保护在柔性基底内部，既利用裂纹机制实现高灵敏度，又通过PDMS通道的物理约束提高了MWCNT网络的机械稳定性和耐久性，同时保持了基体的透明度。第三，性能均衡卓越：最终器件在透明度、灵敏度、拉伸范围和循环稳定性等多个关键性能参数上取得了良好平衡，综合性能优异，并成功演示了多场景人体运动监测，展示了强大的实际应用潜力。第四，系统深入的参数研究：研究并非简单地展示器件性能，而是系统性地研究了PDMS比例这一关键参数对MWCNT填充效果、裂纹扩展行为、最终灵敏度与最大拉伸应变的影响，为理解和优化此类传感器提供了宝贵的实验数据和机理分析。这些亮点共同构成了本研究对柔性电子与传感器领域的重要贡献。