纸基柔性传感器在未来载人航天领域的应用及展望

周湛轩 张铮 丁一

1 背景

随着时代的不断进步，太空已经被人类看作是继海、陆、空之后的第4活动领域，载人航天技术也随之成为未来世界各国努力争夺的新的科技创新制高点。宇航服作为宇航员在外太空利用最为密切的装备，其对于宇航员的生命安全以及深空探测任务的完成都具有十分重要的意义。

作为宇航员生命安全的重要保证之一，宇航服需要对宇航员人体信号和所处环境进行实时地监测。在温度方面，宇航服需要通过对宇航服内环境及宇航员人体的温度监测，始终保证宇航员处于热舒适状态；在压力方面，压力的大小可以反映一件宇航服的气密性良好与否，宇航服内压力指标的实时监测对于宇航员的生命安全有着极为重要的意义；在人体信号方面，宇航员的体表温度、血压、心率、呼吸、运动等信号都可以很好地反映宇航员当前的身体状态。而传感器作为获取自然和生产领域中信息的主要途径和手段，其以极大的数量分布在宇航服中的各个位置。由众多传感器组成的监测系统，可以实时反馈宇航员所处的太空环境以及宇航员的各项身体指标（见图1）。

纸作为中国古代的4大发明之一，一直以来被应用于印刷、书写、包装等多种用途。纸张是由一定数目的纤维搭接、堆積形成，其表面纤维排布错综复杂，内部存在大量明显的孔隙结构，并具有价格低廉、质量小、透气性好、绿色环保、易回收等特点。因此，利用纸张制备得到的传感器，可以在一定程度上降低传感器的制备成本、减轻传感器的质量、增加传感器的形状适应性、提高传感器的环保性以及增加人体佩戴的舒适度。上述纸基传感器的优异特性可以很好匹配宇航服当中的一些特殊应用环境，使其在未来载人航天电子器件领域具有一定的应用前景。

2 纸基传感器研究现状

纸的表面纤维排布纵横交错，表面结构凹凸不平且内部具有大量的微观孔隙结构，若直接利用纸本身存在的天然微结构作为传感器的敏感单元，则可以实现传感器的高灵敏度检测。目前，在全世界范围内，已经有很多科研人员开展了对于高性能纸基传感器件的研究，制备得到的纸基传感器件也已经实现了对于压力、应变、温度、湿度等多种信号的高灵敏检测。

清华大学任天令教授和杨轶副教授团队[1]通过将薄纸和氧化石墨烯（GO）溶液混合，制备了高灵敏度的石墨烯纸基压力传感器。测试结果表明，器件的灵敏度高达17.2/kPa，压力的测量范围为0～20kPa。并基于该纸基压力传感器实现了手腕脉搏检测、呼吸检测以及各种强烈运动检测。以纸为基底制备的压力传感器，在足够的工作范围内实现了超高灵敏度的压力检测，具有十分明显的优势。器件实物图及其压力性能检测如图2所示。

澳大利亚莫纳什大学的Shu Gong等人[2]通过将金（Au）纳米线置于纸巾上，再将其放置在未做处理的聚二甲基硅氧烷（PDMS）和带有叉指电极的PDMS之间，制备得到了压力和应变双信号检测的纸基传感器。该器件的压力检测灵敏度达到了1.14/kPa，应变检测的灵敏度为7.38。该纸基传感器可以实现脉搏的检测和语音的识别。器件制作流程及其对脉搏的检测和语音的识别如图3所示。

Hanbin liu[3]等人将滤纸在炭黑和羧甲基纤维素（CMC）的混合溶液中浸泡，制备得到了基于炭黑的柔性纸基电阻应变式传感器。当器件承受弯曲应变时，纸基表面的炭黑出现微裂纹，进而引起了器件电阻发生变化，传感器从而实现了对应变的快速响应，反应时间为0.24s。同时，通过将该器件放置于水溶液中，实验中发现大约12min器件就开始出现明显的降解现象，体现了纸基器件易降解的优良特性。器件实物图及其应变性能和可降解性检测如图4所示。

苏州大学的Jiangjiang Luo[4]等人在纸张旋涂一层聚酰胺酸溶液（PAA），在适当的温度处理下，将PAA转化为聚酰亚胺（PI），在PI形成之后，通过激光直写技术在PI层绘制预先设计好的图案，进而制备得到基于PI/纸双层膜结构的柔性传感器，该传感器可以实现对应力和湿度2种信号的检测，并已经成功应用于人体脉搏和呼吸活动的监测。器件制作流程及其对脉搏和呼吸的检测如图5所示。

陕西科技大学的李志健教授团队[5]通过在纸张上喷涂炭黑和还原性石墨烯的混合液，制备了一种柔性的多信号感知传感器，仅使用一个器件就可以实现对应变、温度、湿度和压力4种信号的高灵敏检测。在应变检测方面，器件对于弯曲应变的响应时间约为340ms，灵敏度在经过1 000次的重复性实验后也并不会产生衰减。根据器件的应变传感特性，目前已经实现了对人体手指关节、肘关节和颈关节活动的实时监测；在湿度检测方面，器件在15%～95%的相对湿度（RH）范围内，湿度响应灵敏度可以高达2.04。通过将器件固定在被测者的鼻子下，实现了对人体呼吸的持续监测；在温度检测方面，器件的灵敏度达到了0.6%/℃；在压力检测方面，器件面对不同大小的压力时，可以快速地产生不同强度的电流峰值。器件的制作流程及其对4种不同信号的检测如图6所示。

3 纸基传感器在未来深空探测领域的优势特点

宇航服是保证宇航员生命安全的重要手段之一，在舱外，宇航服对于宇航员来说就是一个小型的载人宇航器，它需要对宇航员的身体状况以及所处的外太空环境进行实时高灵敏的动态监测。随着我国载人航天科学技术的不断发展，宇航员的出舱活动越来越频繁，每次出舱持续的活动时间也越来越长，这就对舱外宇航服的设计提出了更高的要求[6-8]。

纸基传感器目前已经实现了对人体运动、声音识别、温湿度和微小压力等多方面的高灵敏检测，其本身所具备的诸多优点，可以很好地匹配宇航服中的一些特殊应用场景。

3.1 性能优异

传感器作为宇航服监测系统中的核心功能器件，对于宇航员生命安全和深空探测任务有着极为重要的意义。每一个应用在宇航服当中的传感器都有着十分严格的性能标准，对于器件可靠性的要求更是如此。哪怕是再小的一个传感器件，也需要做到万无一失。

通过现有针对纸基传感器件的研究，可以发现，由于纸张表面的纤维特殊排布以及纸张内部存在的大量微观孔隙结构，若直接将纸中存在的大量微观孔隙结构作为传感器的敏感单元，将纸张的天然微结构作为微纳结构用于传感器的制作，得到的传感器件往往具有较高的测量灵敏度。陕西科技大学的李志健教授团队[5]制备得到的多信号感知纸基传感器在测温方面的灵敏度可以超过商用铂温度传感器[9]。北京科技大学张跃团队[10]利用直流溅射在砂纸表面制备出基于金纳米薄膜的柔性应变传感器，砂纸表面的微结构使得金薄膜表面产生应力集中，进而使器件的灵敏度大大提升，弯曲应变的灵敏度高达75.8，同时该传感器的循环应变服役次数至少为18 000次，具有极高的可靠性。

纸基传感器所具备的优异传感性能可以很好地满足宇航服中对电子器件的高性能需求，可以实现对宇航员人体及所处环境的长时间的精准监控。如果将整个宇航服比作一个人的机体，那么宇航服当中数量庞大的传感器就如同构成机体的一个个细胞，虽然每一个细胞都很微小，但在载人航天的工作当中，任何一个部分出现的瑕疵都有可能造成无法挽回的后果。因此，可靠性高且性能优异的传感器对于载人航天的重要性不言而喻。

3.2 佩戴舒适

宇航服为了满足宇航员的多方面需求，内部结构十分复杂，一般至少分为5层。其中与人体直接接触的最内层上，附有大量传感器，组成了一套复杂的微型检测系统[11]，负责监测宇航服内的温度以及宇航员的各种生理信号，如体温、呼吸、脉搏、心率等，内衣层相当于一层时刻监视着宇航员动态的一层保护膜。

为保证宇航员在宇航服当中的舒适程度，作为与人体直接接触的宇航服内衣层，在进行高灵敏监测的同时，也需要满足轻薄柔软且透气性良好等需求。根据纸基传感器件质地柔软且轻薄的特点，可以将其贴附在宇航服的内衣层与人体之间，进行高灵敏的人体信号采集。同时，还可以利用纸基器件形状适应性强的特点，根据不同的人体贴附位置，将器件设计成不同的形状，使器件可以更加灵活地匹配宇航员的活动需求。

现有的大多数柔性传感器件为保证器件柔软的特性，往往采用一些结构致密的有机物作为器件的基底材料，有机物致密的结构导致其制备得到的柔性传感器件缺乏一定的透气性，长时间的佩戴可能会导致佩戴者身体的不适。而纸张相比于结构致密的有机物，内部疏松多孔，且孔径大于气体的分子直径，具有良好的透气性。

同时，纸基传感器的质量微乎其微，将其贴附于人体的表面，佩戴者几乎感受不到器件的存在。宇航服质量的增加无疑会增加发射成本，因此轻量化一直以来也是宇航服研发的主要目标之一[12]。如果将纸基传感器大规模地应用在宇航服的内衣层当中，在实现高性能监测的前提下，既可以满足宇航员的佩戴舒适需求，又在一定程度减小了宇航服的整体质量。

3.3 多功能检测

多种信号检测在当今人工智能领域并不少见，Qilin Hua[21]等人通过假手握住一杯水，在假手上贴附柔性传感器矩阵，进而同时得到水杯的温度信号和假手的压力信号，但是该传感器矩阵必须同时配备5个压力传感器和一个温度传感器。

而现阶段的很多针对纸基传感器件的研究工作，已经使纸基器件具备了同时检测多种信号的能力，相比于人工智能领域的多信号检测，纸基传感器仅通过一个器件就实现了对于外界多信号的感知。陕西科技大学的李志健教授团队[5]制备得到的多信号感知纸基传感器通过实验印证了，器件可以在实际应用当中检测和识别多种信号的刺激。

如果将这种多信号感知类的纸基传感器应用在航天员的人体信号监测当中，那么与复杂的传感器矩阵相比，纸基传感器仅通过一个器件就实现了对多种信号的监测，这会有助于简化宇航服当中的智能监测设备，提高宇航服中智能系统的工作效率。

3.4 经济环保

根据相关资料显示，到2030年，全球的传感器数量将会突破100万亿个，此类电子装置的大量生产导致了电子废弃物的数量不断增多，越来越多的国家面临着严峻的电子垃圾环境问题。根据2017年联合国发布的报告，2016年全球产生了超过4000万t电子废弃物，只有20%被正确回收。如何正确地处理宇航服当中存在的大量传感器件，也是需要我们进一步关注的问题。

首先在经济方面，相比于传统的高性能传感器件，纸基传感器的制作成本极低，Hanbin liu[3]等人制备得到的纸基应变传感器的制作成本甚至小于0.001美元，纸基传感器件的应用会极大程度地降低宇航服的制作成本。

其次在环保方面，纸的主要成分是植物纤维，具有良好的可降解性。陕西科技大学的李志健教授团队[5]制备得到的纸基传感器放置于水中，搅拌一分钟左右，器件就已经分解为了纤维、炭黑和石墨烯颗粒；Hanbin liu[3]等人制备得到的纸基传感器在潮湿的状态下，进行轻微地摩擦，器件很快就实现了降解。纸基传感器件除了优异的传感性能之外，作为一种基于纸张制备得到的传感器，器件本身所具备的可降解特性，从电子器件的源头就避免了电子污染的产生，极大地便利了宇航服的后续回收过程。

4 總结与展望

柔性传感技术自提出以来，在电子皮肤[13-16]和可穿戴器件[17-19]等领域都展现出了较大的应用前景，尤其是在人体运动信号监测中，柔性传感器件具有显著的优势并一直作为学者们研究的热点。而纸基传感器作为柔性传感器件的一种，通过利用纸表面的天然微结构，发挥纸本身的属性特点，进而制备得到集低成本、高性能且绿色环保等诸多优点于一体的柔性穿戴传感器。

我國载人航天技术的不断发展，对未来的航空材料也提出了越来越多的要求，如高性能、多功能、智能化、低成本、环境相容性等[20]，纸基传感器所具有的优良特性则与这些需求高度匹配。纸基传感器的诸多优点使其在未来载人航天领域具有极为广阔应用的前景。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.03.004

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