周湛軒 張錚 丁一

1 背景

隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步，太空已經(jīng)被人類看作是繼海、陸、空之后的第4活動(dòng)領(lǐng)域，載人航天技術(shù)也隨之成為未來世界各國努力爭奪的新的科技創(chuàng)新制高點(diǎn)。宇航服作為宇航員在外太空利用最為密切的裝備，其對(duì)于宇航員的生命安全以及深空探測(cè)任務(wù)的完成都具有十分重要的意義。

作為宇航員生命安全的重要保證之一，宇航服需要對(duì)宇航員人體信號(hào)和所處環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)。在溫度方面，宇航服需要通過對(duì)宇航服內(nèi)環(huán)境及宇航員人體的溫度監(jiān)測(cè)，始終保證宇航員處于熱舒適狀態(tài)；在壓力方面，壓力的大小可以反映一件宇航服的氣密性良好與否，宇航服內(nèi)壓力指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)于宇航員的生命安全有著極為重要的意義；在人體信號(hào)方面，宇航員的體表溫度、血壓、心率、呼吸、運(yùn)動(dòng)等信號(hào)都可以很好地反映宇航員當(dāng)前的身體狀態(tài)。而傳感器作為獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑和手段，其以極大的數(shù)量分布在宇航服中的各個(gè)位置。由眾多傳感器組成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)反饋宇航員所處的太空環(huán)境以及宇航員的各項(xiàng)身體指標(biāo)（見圖1）。

紙作為中國古代的4大發(fā)明之一，一直以來被應(yīng)用于印刷、書寫、包裝等多種用途。紙張是由一定數(shù)目的纖維搭接、堆積形成，其表面纖維排布錯(cuò)綜復(fù)雜，內(nèi)部存在大量明顯的孔隙結(jié)構(gòu)，并具有價(jià)格低廉、質(zhì)量小、透氣性好、綠色環(huán)保、易回收等特點(diǎn)。因此，利用紙張制備得到的傳感器，可以在一定程度上降低傳感器的制備成本、減輕傳感器的質(zhì)量、增加傳感器的形狀適應(yīng)性、提高傳感器的環(huán)保性以及增加人體佩戴的舒適度。上述紙基傳感器的優(yōu)異特性可以很好匹配宇航服當(dāng)中的一些特殊應(yīng)用環(huán)境，使其在未來載人航天電子器件領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。

2 紙基傳感器研究現(xiàn)狀

紙的表面纖維排布縱橫交錯(cuò)，表面結(jié)構(gòu)凹凸不平且內(nèi)部具有大量的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，若直接利用紙本身存在的天然微結(jié)構(gòu)作為傳感器的敏感單元，則可以實(shí)現(xiàn)傳感器的高靈敏度檢測(cè)。目前，在全世界范圍內(nèi)，已經(jīng)有很多科研人員開展了對(duì)于高性能紙基傳感器件的研究，制備得到的紙基傳感器件也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)于壓力、應(yīng)變、溫度、濕度等多種信號(hào)的高靈敏檢測(cè)。

清華大學(xué)任天令教授和楊軼副教授團(tuán)隊(duì)[1]通過將薄紙和氧化石墨烯（GO）溶液混合，制備了高靈敏度的石墨烯紙基壓力傳感器。測(cè)試結(jié)果表明，器件的靈敏度高達(dá)17.2/kPa，壓力的測(cè)量范圍為0～20kPa。并基于該紙基壓力傳感器實(shí)現(xiàn)了手腕脈搏檢測(cè)、呼吸檢測(cè)以及各種強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。以紙為基底制備的壓力傳感器，在足夠的工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了超高靈敏度的壓力檢測(cè)，具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。器件實(shí)物圖及其壓力性能檢測(cè)如圖2所示。

澳大利亞莫納什大學(xué)的Shu Gong等人[2]通過將金（Au）納米線置于紙巾上，再將其放置在未做處理的聚二甲基硅氧烷（PDMS）和帶有叉指電極的PDMS之間，制備得到了壓力和應(yīng)變雙信號(hào)檢測(cè)的紙基傳感器。該器件的壓力檢測(cè)靈敏度達(dá)到了1.14/kPa，應(yīng)變檢測(cè)的靈敏度為7.38。該紙基傳感器可以實(shí)現(xiàn)脈搏的檢測(cè)和語音的識(shí)別。器件制作流程及其對(duì)脈搏的檢測(cè)和語音的識(shí)別如圖3所示。

Hanbin liu[3]等人將濾紙?jiān)谔亢诤汪燃谆w維素（CMC）的混合溶液中浸泡，制備得到了基于炭黑的柔性紙基電阻應(yīng)變式傳感器。當(dāng)器件承受彎曲應(yīng)變時(shí)，紙基表面的炭黑出現(xiàn)微裂紋，進(jìn)而引起了器件電阻發(fā)生變化，傳感器從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)變的快速響應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間為0.24s。同時(shí)，通過將該器件放置于水溶液中，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)大約12min器件就開始出現(xiàn)明顯的降解現(xiàn)象，體現(xiàn)了紙基器件易降解的優(yōu)良特性。器件實(shí)物圖及其應(yīng)變性能和可降解性檢測(cè)如圖4所示。

蘇州大學(xué)的Jiangjiang Luo[4]等人在紙張旋涂一層聚酰胺酸溶液（PAA），在適當(dāng)?shù)臏囟忍幚硐?，將PAA轉(zhuǎn)化為聚酰亞胺（PI），在PI形成之后，通過激光直寫技術(shù)在PI層繪制預(yù)先設(shè)計(jì)好的圖案，進(jìn)而制備得到基于PI/紙雙層膜結(jié)構(gòu)的柔性傳感器，該傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力和濕度2種信號(hào)的檢測(cè)，并已經(jīng)成功應(yīng)用于人體脈搏和呼吸活動(dòng)的監(jiān)測(cè)。器件制作流程及其對(duì)脈搏和呼吸的檢測(cè)如圖5所示。

陜西科技大學(xué)的李志健教授團(tuán)隊(duì)[5]通過在紙張上噴涂炭黑和還原性石墨烯的混合液，制備了一種柔性的多信號(hào)感知傳感器，僅使用一個(gè)器件就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變、溫度、濕度和壓力4種信號(hào)的高靈敏檢測(cè)。在應(yīng)變檢測(cè)方面，器件對(duì)于彎曲應(yīng)變的響應(yīng)時(shí)間約為340ms，靈敏度在經(jīng)過1 000次的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)后也并不會(huì)產(chǎn)生衰減。根據(jù)器件的應(yīng)變傳感特性，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體手指關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和頸關(guān)節(jié)活動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；在濕度檢測(cè)方面，器件在15%～95%的相對(duì)濕度（RH）范圍內(nèi)，濕度響應(yīng)靈敏度可以高達(dá)2.04。通過將器件固定在被測(cè)者的鼻子下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體呼吸的持續(xù)監(jiān)測(cè)；在溫度檢測(cè)方面，器件的靈敏度達(dá)到了0.6%/℃；在壓力檢測(cè)方面，器件面對(duì)不同大小的壓力時(shí)，可以快速地產(chǎn)生不同強(qiáng)度的電流峰值。器件的制作流程及其對(duì)4種不同信號(hào)的檢測(cè)如圖6所示。

3 紙基傳感器在未來深空探測(cè)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)

宇航服是保證宇航員生命安全的重要手段之一，在艙外，宇航服對(duì)于宇航員來說就是一個(gè)小型的載人宇航器，它需要對(duì)宇航員的身體狀況以及所處的外太空環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)高靈敏的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。隨著我國載人航天科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，宇航員的出艙活動(dòng)越來越頻繁，每次出艙持續(xù)的活動(dòng)時(shí)間也越來越長，這就對(duì)艙外宇航服的設(shè)計(jì)提出了更高的要求[6-8]。

紙基傳感器目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體運(yùn)動(dòng)、聲音識(shí)別、溫濕度和微小壓力等多方面的高靈敏檢測(cè)，其本身所具備的諸多優(yōu)點(diǎn)，可以很好地匹配宇航服中的一些特殊應(yīng)用場(chǎng)景。

3.1 性能優(yōu)異

傳感器作為宇航服監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的核心功能器件，對(duì)于宇航員生命安全和深空探測(cè)任務(wù)有著極為重要的意義。每一個(gè)應(yīng)用在宇航服當(dāng)中的傳感器都有著十分嚴(yán)格的性能標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于器件可靠性的要求更是如此。哪怕是再小的一個(gè)傳感器件，也需要做到萬無一失。

通過現(xiàn)有針對(duì)紙基傳感器件的研究，可以發(fā)現(xiàn)，由于紙張表面的纖維特殊排布以及紙張內(nèi)部存在的大量微觀孔隙結(jié)構(gòu)，若直接將紙中存在的大量微觀孔隙結(jié)構(gòu)作為傳感器的敏感單元，將紙張的天然微結(jié)構(gòu)作為微納結(jié)構(gòu)用于傳感器的制作，得到的傳感器件往往具有較高的測(cè)量靈敏度。陜西科技大學(xué)的李志健教授團(tuán)隊(duì)[5]制備得到的多信號(hào)感知紙基傳感器在測(cè)溫方面的靈敏度可以超過商用鉑溫度傳感器[9]。北京科技大學(xué)張躍團(tuán)隊(duì)[10]利用直流濺射在砂紙表面制備出基于金納米薄膜的柔性應(yīng)變傳感器，砂紙表面的微結(jié)構(gòu)使得金薄膜表面產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而使器件的靈敏度大大提升，彎曲應(yīng)變的靈敏度高達(dá)75.8，同時(shí)該傳感器的循環(huán)應(yīng)變服役次數(shù)至少為18 000次，具有極高的可靠性。

紙基傳感器所具備的優(yōu)異傳感性能可以很好地滿足宇航服中對(duì)電子器件的高性能需求，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)宇航員人體及所處環(huán)境的長時(shí)間的精準(zhǔn)監(jiān)控。如果將整個(gè)宇航服比作一個(gè)人的機(jī)體，那么宇航服當(dāng)中數(shù)量龐大的傳感器就如同構(gòu)成機(jī)體的一個(gè)個(gè)細(xì)胞，雖然每一個(gè)細(xì)胞都很微小，但在載人航天的工作當(dāng)中，任何一個(gè)部分出現(xiàn)的瑕疵都有可能造成無法挽回的后果。因此，可靠性高且性能優(yōu)異的傳感器對(duì)于載人航天的重要性不言而喻。

3.2 佩戴舒適

宇航服為了滿足宇航員的多方面需求，內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，一般至少分為5層。其中與人體直接接觸的最內(nèi)層上，附有大量傳感器，組成了一套復(fù)雜的微型檢測(cè)系統(tǒng)[11]，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)宇航服內(nèi)的溫度以及宇航員的各種生理信號(hào)，如體溫、呼吸、脈搏、心率等，內(nèi)衣層相當(dāng)于一層時(shí)刻監(jiān)視著宇航員動(dòng)態(tài)的一層保護(hù)膜。

為保證宇航員在宇航服當(dāng)中的舒適程度，作為與人體直接接觸的宇航服內(nèi)衣層，在進(jìn)行高靈敏監(jiān)測(cè)的同時(shí)，也需要滿足輕薄柔軟且透氣性良好等需求。根據(jù)紙基傳感器件質(zhì)地柔軟且輕薄的特點(diǎn)，可以將其貼附在宇航服的內(nèi)衣層與人體之間，進(jìn)行高靈敏的人體信號(hào)采集。同時(shí)，還可以利用紙基器件形狀適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，根據(jù)不同的人體貼附位置，將器件設(shè)計(jì)成不同的形狀，使器件可以更加靈活地匹配宇航員的活動(dòng)需求。

現(xiàn)有的大多數(shù)柔性傳感器件為保證器件柔軟的特性，往往采用一些結(jié)構(gòu)致密的有機(jī)物作為器件的基底材料，有機(jī)物致密的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其制備得到的柔性傳感器件缺乏一定的透氣性，長時(shí)間的佩戴可能會(huì)導(dǎo)致佩戴者身體的不適。而紙張相比于結(jié)構(gòu)致密的有機(jī)物，內(nèi)部疏松多孔，且孔徑大于氣體的分子直徑，具有良好的透氣性。

同時(shí)，紙基傳感器的質(zhì)量微乎其微，將其貼附于人體的表面，佩戴者幾乎感受不到器件的存在。宇航服質(zhì)量的增加無疑會(huì)增加發(fā)射成本，因此輕量化一直以來也是宇航服研發(fā)的主要目標(biāo)之一[12]。如果將紙基傳感器大規(guī)模地應(yīng)用在宇航服的內(nèi)衣層當(dāng)中，在實(shí)現(xiàn)高性能監(jiān)測(cè)的前提下，既可以滿足宇航員的佩戴舒適需求，又在一定程度減小了宇航服的整體質(zhì)量。

3.3 多功能檢測(cè)

多種信號(hào)檢測(cè)在當(dāng)今人工智能領(lǐng)域并不少見，Qilin Hua[21]等人通過假手握住一杯水，在假手上貼附柔性傳感器矩陣，進(jìn)而同時(shí)得到水杯的溫度信號(hào)和假手的壓力信號(hào)，但是該傳感器矩陣必須同時(shí)配備5個(gè)壓力傳感器和一個(gè)溫度傳感器。

而現(xiàn)階段的很多針對(duì)紙基傳感器件的研究工作，已經(jīng)使紙基器件具備了同時(shí)檢測(cè)多種信號(hào)的能力，相比于人工智能領(lǐng)域的多信號(hào)檢測(cè)，紙基傳感器僅通過一個(gè)器件就實(shí)現(xiàn)了對(duì)于外界多信號(hào)的感知。陜西科技大學(xué)的李志健教授團(tuán)隊(duì)[5]制備得到的多信號(hào)感知紙基傳感器通過實(shí)驗(yàn)印證了，器件可以在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中檢測(cè)和識(shí)別多種信號(hào)的刺激。

如果將這種多信號(hào)感知類的紙基傳感器應(yīng)用在航天員的人體信號(hào)監(jiān)測(cè)當(dāng)中，那么與復(fù)雜的傳感器矩陣相比，紙基傳感器僅通過一個(gè)器件就實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種信號(hào)的監(jiān)測(cè)，這會(huì)有助于簡化宇航服當(dāng)中的智能監(jiān)測(cè)設(shè)備，提高宇航服中智能系統(tǒng)的工作效率。

3.4 經(jīng)濟(jì)環(huán)保

根據(jù)相關(guān)資料顯示，到2030年，全球的傳感器數(shù)量將會(huì)突破100萬億個(gè)，此類電子裝置的大量生產(chǎn)導(dǎo)致了電子廢棄物的數(shù)量不斷增多，越來越多的國家面臨著嚴(yán)峻的電子垃圾環(huán)境問題。根據(jù)2017年聯(lián)合國發(fā)布的報(bào)告，2016年全球產(chǎn)生了超過4000萬t電子廢棄物，只有20%被正確回收。如何正確地處理宇航服當(dāng)中存在的大量傳感器件，也是需要我們進(jìn)一步關(guān)注的問題。

首先在經(jīng)濟(jì)方面，相比于傳統(tǒng)的高性能傳感器件，紙基傳感器的制作成本極低，Hanbin liu[3]等人制備得到的紙基應(yīng)變傳感器的制作成本甚至小于0.001美元，紙基傳感器件的應(yīng)用會(huì)極大程度地降低宇航服的制作成本。

其次在環(huán)保方面，紙的主要成分是植物纖維，具有良好的可降解性。陜西科技大學(xué)的李志健教授團(tuán)隊(duì)[5]制備得到的紙基傳感器放置于水中，攪拌一分鐘左右，器件就已經(jīng)分解為了纖維、炭黑和石墨烯顆粒；Hanbin liu[3]等人制備得到的紙基傳感器在潮濕的狀態(tài)下，進(jìn)行輕微地摩擦，器件很快就實(shí)現(xiàn)了降解。紙基傳感器件除了優(yōu)異的傳感性能之外，作為一種基于紙張制備得到的傳感器，器件本身所具備的可降解特性，從電子器件的源頭就避免了電子污染的產(chǎn)生，極大地便利了宇航服的后續(xù)回收過程。

4 總結(jié)與展望

柔性傳感技術(shù)自提出以來，在電子皮膚[13-16]和可穿戴器件[17-19]等領(lǐng)域都展現(xiàn)出了較大的應(yīng)用前景，尤其是在人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)中，柔性傳感器件具有顯著的優(yōu)勢(shì)并一直作為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。而紙基傳感器作為柔性傳感器件的一種，通過利用紙表面的天然微結(jié)構(gòu)，發(fā)揮紙本身的屬性特點(diǎn)，進(jìn)而制備得到集低成本、高性能且綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)于一體的柔性穿戴傳感器。

我國載人航天技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)未來的航空材料也提出了越來越多的要求，如高性能、多功能、智能化、低成本、環(huán)境相容性等[20]，紙基傳感器所具有的優(yōu)良特性則與這些需求高度匹配。紙基傳感器的諸多優(yōu)點(diǎn)使其在未來載人航天領(lǐng)域具有極為廣闊應(yīng)用的前景。

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

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