阅读说明：本技术 用于制备共聚物包裹的纳米管纤维的方法和装置 (Method and apparatus for preparing copolymer-wrapped nanotube fibers ) 是由 周剑 徐雪珠 吉勒斯·吕比诺 于 2018-10-10 设计创作，主要内容包括：一种制备共聚物包裹的纳米管同轴纤维的方法。该方法包括将第一纺液供应至纺丝喷嘴；将第二纺液供应至纺丝喷嘴；将第一纺液和第二纺液作为同轴纤维纺丝至第一湿浴中；以及将同轴纤维置于不同于第一浴的第二湿浴中。同轴纤维具有包括第一纺液的部分的芯和包括第二纺液的部分的护套。第二湿浴的溶剂分子穿透护套并且从芯中除去酸。(A method for preparing a copolymer-coated nanotube coaxial fiber. The method includes supplying a first dope to a spinning nozzle; supplying the second dope to the spinning nozzle; spinning the first dope and the second dope as coaxial fibers into a first wet bath; and placing the coaxial fibers in a second wet bath different from the first bath. The coaxial fiber has a core comprising a portion of the first dope and a sheath comprising a portion of the second dope. The solvent molecules of the second wet bath penetrate the sheath and remove the acid from the core.)

用于制备共聚物包裹的纳米管纤维的方法和装置

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年11月6日提交的名称为“用于可变形且可穿戴应变传感器的同轴热塑性弹性体包裹的碳纳米管纤维”的美国临时专利申请第62/581,926号和于2018年1月25日提交的名称为“共聚物包裹的纳米管纤维及方法”的美国临时专利申请第62/621,640号的优先权，其全部公开内容通过引用整体并入本文。

背景

技术领域

本文公开的主题的实施例总体上涉及生成共聚物包裹的纳米管纤维的方法，并且更具体地，涉及用于可变形且可穿戴的应变传感器的方法和同轴纤维。

背景技术

可拉伸导体是可穿戴电子设备、柔性显示器、晶体管、机械传感器和能量装置的主要部件。可拉伸纤维导体对于下一代可穿戴电子设备是非常有前途的，因为它们能够容易地大量生产并且容易地编织成织物。近来，可拉伸纤维已经朝着高拉伸性和高灵敏度发展，其适用于如电子皮肤和健康监测系统的应用。

负责应变传感器性能的一些参数是(1)灵敏度，(2)拉伸性和(3)线性度。灵敏度(本文由应变灵敏度系数、GF或应变系数定义)由(a)电阻的相对变化(ΔR/R₀)与(b)所施加的应变之间的比率表示。拉伸性是传感器在断裂前的最大单轴拉伸应变。线性度量化了GF在测量范围内的恒定程度。良好的线性度使应变传感器的校准过程更容易并且确保在所施加的应变的整个范围内的准确测量。

然而，基于常规纤维的应变传感器不能结合高灵敏度(GF＞100)、高拉伸性(应变＞100％)和高线性度。例如，碳化的丝纤维被用作具有良好拉伸性的可佩戴应变传感器中的部件。然而，传感器的灵敏度低，并且随着应变从250％增加至500％，GF从9.6增加至37.5，这表明在应变测量范围内有大的变化。具有“压缩环”结构的石墨烯基复合纤维增加了传感器的拉伸性，但是传感器的结构非常复杂，并且其GF低(在200％应变下GF＝1.5)。基于与压阻橡胶缠绕的电极的电子织物同时(a)映射和(b)量化了机械应变，但是制造工艺复杂且耗时。

因此，需要新一代的导电且可拉伸的纤维来设计高性能的应变传感器。

发明内容

根据实施例，提供了一种用于制备共聚物包裹的纳米管同轴纤维的方法。该方法包括将第一纺液供应至纺丝喷嘴；将第二纺液供应至纺丝喷嘴；将第一纺液和第二纺液作为同轴纤维纺丝至第一湿浴中；以及将同轴纤维置于不同于第一浴的第二湿浴中。同轴纤维具有包括第一纺液的部分的芯和包括第二纺液的部分的护套。第二湿浴的溶剂(例如丙酮)的分子穿透护套并且从芯中除去酸。

根据另一实施例，提供了一种用于制备共聚物包裹的纳米管同轴纤维的装置。该装置包括：具有内通道和外通道的纺丝喷嘴；第一容器，其保持第一纺液并且被配置成将第一纺液供应至纺丝喷嘴的内通道；第二容器，其保持第二纺液并且被配置成将第二纺液供应至纺丝喷嘴的外通道；第三容器，其保持第一湿浴并且被配置成从纺丝喷嘴接收纺丝成的同轴纤维；以及第四容器，其保持第二湿浴并且被配置成从第三容器接收纺丝成的同轴纤维。

根据另一实施例，提供一种制备共聚物包裹的纳米管同轴纤维的方法。该方法包括将第一纺液和第二纺液作为同轴纤维纺丝至第一湿浴中；将同轴纤维置于第二湿浴中以从同轴纤维的芯中提取酸；以及将同轴纤维压平。

附图说明

并入说明书并且构成说明书的一部分的附图示出了一个或更多个实施例，并且与说明书一起解释这些实施例。在附图中：

图1A示出了用于制备共聚物包裹的纳米结构纤维的装置100，图1B示出了浴，纺成后的纤维被放置在其中，图1C示出了压平纤维的过程，并且图1D示出了最终的纤维；

图2示出了共聚物包裹的纳米结构纤维；

图3是用于制备共聚物包裹的纳米结构纤维的方法的流程图；

图4A和图4B示出了拉伸纤维的过程和裂纹的出现；

图5A和图5B示出了施加至TPE纤维和共聚物包裹的纳米结构纤维的应变；

图6A示出了在共聚物包裹的纳米结构纤维中出现的裂纹，并且图6B示出了平均裂纹开口与应变；

图7A示出了当施加应变时共聚物包裹的纳米结构纤维的电阻，图7B比较了共聚物包裹的纳米结构纤维的应变灵敏度系数与传统纤维的应变灵敏度系数，图7C示出了共聚物包裹的纳米结构纤维的阻抗与频率，并且图7D示出了共聚物包裹的纳米结构纤维在应变下的传导模型；

图8A至图8C示出了当多个应变传感器位于直的线缆上时的响应；

图9A至图9C示出了当线缆发生应变时多个应变传感器的响应；

图10A至图10B示出了当线缆弯曲成S形时多个应变传感器的响应；以及

图10C至图10D示出了当线缆弯曲成圆形时多个应变传感器的响应。

具体实施方式

以下参照附图对实施例进行描述。不同附图中的相同附图标记标识相同或相似的元素。以下的详细描述不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求限定。为了简单起见，针对热塑性弹性体(TPE)包裹的单壁碳纳米管(SWCNT)微丝讨论以下实施例。然而，本发明不限于TPE材料或碳纳米管。可以使用可拉伸的其他共聚物和电绝缘体来代替TPE，并且可以使用其他导电材料如炭黑、硅、石墨烯和金属纳米粒子代替碳来形成纳米管。本领域技术人员在阅读本说明书之后将理解，也可以使用其他材料。

在整个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在所公开的主题的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中的各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定是指同一实施例。此外，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合在一个或更多个实施例中。

过去用于工业制造连续纤维的一种通用方法是湿纺法。这种方法为工程化高性能导电纤维提供了稳健的途径。以前，银纳米颗粒/热塑性弹性体混合物被湿纺以构造基于微纤维的应变传感器，但是在纤维中保持连续的导电路径以及金属填料的均匀分布是有挑战性的。导电聚合物/热塑性弹性体纤维也是通过湿纺法制备的，以用于高度可拉伸的传感器，但是即使在高负载的导电聚合物填料的情况下，也难以同时保持拉伸性和灵敏度。在本公开内容的作者的先前工作(参见例如美国专利公开2017/0370024-A1)中，经由热拉伸辅助的湿纺法制备了导电聚(3,4-乙烯二氧噻吩)/聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT/PSS)聚合物微纤维。通过将垂直热拉伸工艺与微纤维的溶剂掺杂和去掺杂相结合，获得了2804S cm-1的电导率。由于PEDOT/PSS的脆性，导电纤维的拉伸性被限制为20％，并且在13％应变时GF仅为1.8(Zhou等人,J.Mater.Chem.C.2015,3,2528–2538)。湿纺工艺也已经被成功地应用于制备用于具有105的高GF的应变传感器的单壁碳纳米管(SWCNT)微丝(参见例如国际公开WO2018/092091A1)，尽管拉伸性被限制在15％(Zhou等人，Nanoscale2017,9,604–612)。

上述传感器中的大多数传感器都表现出较大的非线性。此外，在这些传感器中的大多数传感器中，纤维的导电表面是暴露的，因此当被用作应变传感器时，它们具有短路的风险。其结果是稳定性和耐久性较差。

根据实施例，将同轴湿纺法与后处理过程相结合以制备用于高性能应变传感器的TPE包裹的SWCNT纤维。在丙酮浴中对其芯中含有SWCNT/酸纺液的纺织纤维进行后处理以除去酸残留物，然后通过在纤维表面上加压使SWCNT芯致密化，得到带状同轴纤维。当拉伸超过纤维的起裂应变时，纤维断裂，具有高密度的裂纹。桥接破碎的片段的SWCNT的缠结网络在应变感测期间起积极作用。如接下来所讨论的，发现由于这些新型同轴纤维作为可变形且可穿戴的电子设备的能力，因此它们适用于高性能应变传感器。

根据图1A和图1B中所示的实施例，用于制备TPE包裹的SWCNT纤维的装置100包括具有内通道112和外通道114的纺丝喷嘴110。内通道112位于外通道114内部并且与其同心。这些通道中的每个通道容纳不同的纺液。两种纺液在纺丝喷嘴110内不混合。事实上，两种纺液在纺丝喷嘴110内彼此不接触。如图1A所示，当两种纺液从纺丝喷嘴110中纺出时，内通道112的纺液113仅在纺丝喷嘴110的尖端116处与外通道114的纺液115接触。

例如从与内通道112流体连通的第一储存容器118供应第一纺液113并且例如从与外通道114流体连通的第二储存容器120供应第二纺液115。

图1A示出了第一纺液113在第二纺液115内被纺丝并且在整个纺丝过程中保持这种结构。部分原因是纺液的化学成分。对于该实施例，第一纺液113为2wt％的SWCNT/CH₃SO₃H。CH₃SO₃H被用作高度浓缩的SWCNT的分散剂，使得第一纺液113可以被纺丝成连续的微丝。第二纺液115是TPE在CH₂Cl₂中的溶液。选择该溶液作为外部纺丝溶液，这是因为TPE是电绝缘弹性体。该共聚物产生用于纺丝纤维123的外护套122(参见图2)，所述外护套保护纤维电极124(SWCNT芯)免于短路和环境劣化的影响。此外，作为可超拉伸的衬底，外护套122向导电同轴纤维123引入了期望的拉伸性。

在被纺丝之后，将来自内通道112的第一SWCNT/CH₃SO₃H纺液113和来自外通道114的第二TPE/CH₂Cl₂溶液115同时引入至保存在容器132中的乙醇凝固浴130中。乙醇浴130从第二TPE/CH2Cl2纺液中提取CH2Cl2，而CH₃SO₃H仍保留在SWCNT芯124中。

作为该过程的结果，单个TPE包裹的SWCNT同轴纤维123(参见图1A和图2)被湿纺并且以超过5m的长度被收集，这显示了这些纤维的用于大规模生产的潜力。由于CH₃SO₃H的高沸点(167℃)以及TPE在乙醇浴中的快速固化，即使在收集纤维123之后，大部分CH₃SO₃H酸仍然保留在芯124内部。

然后，实施如图1B所示的后处理过程。在后处理过程期间，通过将纤维123浸入丙酮浴140中，从仍然为流体的SWCNT芯124中去除CH₃SO₃H酸，如图1B所示。图1B示出了CH₃SO₃H酸从芯124移除并且丙酮进入。通过观察纤维的直径来监测提取，并且纤维的直径随着提取时间的延长而减小。干燥后的纤维的PH值也取决于提取时间。

在将纤维123从保持在容器142中的丙酮浴140中取出后，丙酮残余物已经蒸发，这导致了不均匀的表面。因此，例如，用载玻片144将纤维123压成如图1C所示的带状。在一种应用中，纺丝成的纤维的所得厚度T和宽度W分别为200μm和1050μm。图1D中所示的所得到的纤维143现在同时具有固体的芯124和护套122，而图1B中的纤维123具有液体的芯124。

为了研究SWCNT 113在芯124中的形态，将TPE层122溶解在CH₂Cl₂中。在SEM图像中已经观察到具有随机分布的SWCNT网络的SWCNT芯124的多孔结构。一些SWCNT连接在一起并且形成更大的束，这在减小纤维143的总电阻方面起到积极作用。利用该纤维进行的实验表明，由于绝缘TPE护套122的保护，当在同轴纤维143的表面上测量时，同轴纤维起着绝缘体的作用。在将2cm长的SWCNT芯124与银浆和铜线连接之后，测得该纤维具有142.6Ω的低电阻。实验证实，通过湿纺和后处理过程获得了由TPE包裹的SWCNT芯制成的导电同轴纤维。这些同轴纤维的成功生产将使它们合适用在可穿戴电子设备中。

现在参照图3讨论用于生产上述同轴纤维的方法。在步骤300中，将第一纺液113从第一储存容器118供应至纺丝喷嘴110的内通道112。在步骤302中，将第二纺液115从第二储存容器120供应至纺丝喷嘴110的外通道114。在步骤304中，将两种纺液从纺丝喷嘴110湿纺出到乙醇浴130中。在步骤306中，将用纺丝喷嘴110形成的纤维123置于丙酮浴140中，以除去第一纺液中的酸。在可选的步骤308中，将纤维123压平。纺液可以是上面讨论的第一纺液和第二纺液。可以使用其他纺液，只要外护套是绝缘体并且芯包括纳米结构并且是导电的。本领域技术人员将理解，可以使用其他浴，例如，可以用任何能够从纤维的芯中提取酸的浴来代替丙酮浴。压平纤维的最后步骤是可选的。

在具体实施例中，使用以下材料生成纤维。用于第一纺液的材料为：从CheapTubes公司购买的用2.7％羧基官能化的SWCNT，其纯度超过90wt％并且含有超过5wt％的MWCNT。这些SWCNT的真实密度为2.1g cm^-3。用于第二纺液的材料为：从Sigma Aldrich购买的聚苯乙烯-嵌段-聚异戊二烯-嵌段-聚苯乙烯(TPE)(苯乙烯，22wt％)、甲磺酸(CH₃SO₃H)、乙醇和二氯甲烷(CH₂Cl₂)。

SWCNT纺液和TPE溶液的制备包括：通过将0.2g的SWCNT加入9.8g的CH₃SO₃H中并且搅拌2分钟，随后使用Brason 8510浴超声波仪器(250W)(Thomas Scientific)超声波处理60分钟，来制备2wt％的SWCNT纺液。将混合物进一步搅拌24小时，然后将其通过30μm注射过滤器(Pall公司)以除去凝集物。通过将9g的TPE与21g的CH₂Cl₂溶剂以200rpm混合10小时来制备30wt％的TPE溶液。

同轴纤维的湿纺如下执行：将SWCNT纺液装入10ml注射器中并且通过内部不锈钢针(21G)纺丝至乙醇浴中。通过使用Fusion 200注射泵(Chemyx公司)将墨的流速固定在150μl/min。通过外部不锈钢针(15G)将10ml注射器中的TPE溶液纺丝至乙醇浴中。墨的流速为200μl/min。纤维以2m min^-1至4m min^-1的线速度连续收集在50mm的绕线轴上。然后，将纤维在丙酮浴中浸泡6小时以除去酸残留物。将所得到的纤维从丙酮中移出并且如图1C所示的通过用载玻片进行压平而使其致密化。为了比较机械性能，通过不锈钢针(21G)以200μl/min的注射速率将20wt％TPE/DCM溶液湿纺至乙醇浴中来制备纯TPE纤维。

所得到的纤维的特征如下：使用Quanta3D机器(FEI公司)对纤维执行扫描电子显微镜观察(SEM)。通过BX61材料显微镜(Olympus公司)捕获同轴纤维的拉伸和松弛。通过5944机械测试机(Instron公司)控制样品的加载和卸载。然后，将2cm长的纤维的两端浸入胶态银墨中，与铜线连接并且用导电银环氧树脂涂覆。通过34461A数字万用表监测纤维的电阻变化。应用递增的、循环的拉伸和松弛程序以使同轴纤维内的SWCNT芯断裂。将程序设定为50％的递增应变，以0％开始并且以5mmmin^-1的速度持续至250％。然后，以相同速度对纤维施加最大应变为100％的循环拉伸和松弛程序，持续五个循环。应变传感器的灵敏度被定义为GF＝(△R/R₀)/ε，其中R₀是初始电阻，ΔR/R₀是电阻的相对变化，并且ε是施加的应变。

对于电阻抗谱(EIS)，使用Agilent E4980A Precision LCR仪，采用带有开尔文夹的双探针构造来测量阻抗模Z。频率范围为20Hz至2MHz，具有1000Hz的步长和50mA的扫描电流。为了了解基于纤维的传感器的感测机制，研究了在施加不同的应变(0％、5％、15％、20％、40％、60％和100％)下在宽范围的频率上的阻抗变化。

用上面讨论的方法获得的纤维123的良好线性度被认为是以下过程的结果。图4A示出了处于松弛模式(即没有施加应变或应力)下的纤维123。当在步骤400中对纤维123施加拉伸时，纤维的长度增加，如图4B所示。护套122由于具有弹性的，所以毫无问题能够拉伸。芯124由于具有在上面讨论的方法中所形成的多个纳米结构(纳米壁和/或纳米线)125，所以其也能够在保持导电性的同时拉伸。这是因为在芯124中形成的裂纹150(其包括芯124的高密度的片段124A)填充有高度导电的SWCNT 125的网络。当在步骤402中使纤维松弛时，纤维返回至其如图4A所示的松弛模式。

为了确定纤维123的全部属性，如现在关于图5A和图5B所讨论的，施加了各种应力。图5A示出了施加了循环加载和卸载的纯TPE纤维。图中的Y轴示出了应力值并且图中的X轴示出了应变值。类似地，图5B示出了如上面讨论所制备的同轴纤维123的相同的循环加载和卸载。递增的循环加载和卸载以5min cm^-1的速率进行。在第一周期(0％至50％应变)之后，曲线500和曲线510都示出存在10～15％的残余应变，该残余应变在随后的循环期间保留。这表明在第一个周期期间存在一些塑性变形，但在随后的循环期间可以忽略变形。图5A示出了纯TPE的典型机械性能，该纯TPE可以延伸很远，具有良好的弹性恢复性能。与图5A的纯TPE相比，图5B的同轴纤维在第一加载周期510期间经历了急剧的应力增加。根据第一加载周期计算的杨氏模量为112MPa，比纯TPE纤维(4.5MPa)高24倍。这些结果表明SWCNT芯124增加了TPE的杨氏模量，并且SWCNT在TPE基质中具有共形界面。因此，同轴纤维123的SWCNT芯124在加载期间变得分段，如图4B所示。

图6A描绘了在光学显微镜下同轴纤维123中的裂纹的发展。当纤维被拉伸时，裂纹开口位移L_c与所施加的应变几乎线性相关(参见图6B)，证明了纤维123的总体弹性性能。当施加的应变从0％增加至250％时，纤维123的电阻从142Ω增加至2.3MΩ。垂直于加载方向(ε＜50％)LD出现裂纹，然后随着应变变大(ε＞50％)，裂纹沿着准周期性网络倍增。发现裂纹密度1/D为17mm^-1，比先前在对PDMS衬底中的SWCNT线缆或薄纸的研究中所发现的高得多。这样的高裂纹密度解释了在拉伸期间纤维123的增加的拉伸性和电阻响应的线性度。与0％应变下的初始状态相比，裂纹在卸载后几乎完全恢复，具有小但是可观察到的开口(参见图6中的右侧面板)。经测量，拉伸纤维123的电阻为1.5kΩ，是原始纤维的十倍。这归因于SWCNT芯中不可恢复的导电路径，如图6A所示。

为了在应变传感器中使用纤维123，纤维需要展现出高拉伸性、高GF和高灵敏度。已经研究了应变为0％至250％的同轴纤维123的电阻变化。电阻随着应变而增加。在从250％应变卸载之后，具有17mm^-1的高裂纹密度的同轴纤维的片段结构可以被用作应变传感器中的感测部件。在较低应变(0％至100％应变)下对纤维进行重复循环测试，这可能更能代表在实际应用(例如，可穿戴电子设备)中遇到的应变。在第一循环测试(0％至100％应变)之后，随后的循环以最小的滞后迹象交叠。图7A示出了应变为0％至100％的五个循环，其中ΔR/R₀沿着非常可逆的过程进行，紧随所施加的应变的变化。

为了确定纤维的灵敏度，已经确定了电阻随着所施加应变的相对变化(ΔR/R₀)。该同轴纤维的电阻变化在100％应变下是ΔR/R₀＝340。基于纤维的传感器的感测性能的特征表现为具有两个斜率的两个线性区域(施加的应变为0％至5％，线性度为0.99，以及施加的应变为20％至100％，线性度为0.98)。这些值反映了不同应变范围下的GF：GF在0％至5％应变下为48，在20％至100％应变下为425。

然而，常规的金属测量仪在小于5％的应变下仅具有大约2.0的GF。GF高于常规的基于纤维的应变传感器，如图7B所示。压阻应变传感器通常能够达到高GF或高拉伸性，但是通常具有滞后和非线性。实验测量表明，使用纤维123的传感器具有良好的耐久性和再现性，这对于长期使用是重要的。在20％至100％应变的3250次拉伸和松弛循环之后，应变传感器的性能保持可重复。在循环1至5、1000至1005和3000至3005时证实了传感器的良好可重复性。

为了说明利用同轴纤维123制成的应变传感器的感测机制，在宽范围的频率下对纤维的电阻抗响应进行了表征。图7C显示了复阻抗(Z)的模量的频率依赖性。在低应变(ε＜20％)下，阻抗在测试频率范围内几乎恒定，并且传导机制由芯中SWCNT的电阻特性来表示。裂纹区域中SWCNT之间的接触确保宏观欧姆特性。在高应变(ε＞20％)下，阻抗Z变得更具频率依赖性。随着应变的持续增加，SWCNT越来越断开。因此，在芯124的片段124A(参见图4B)之间的电子的传导变得不可能，并且TPE护套中的由SWCNT覆盖的接口变成唯一的传导路径。结果，电子隧穿效应是纤维123中的主要传导机制，如图7C中的频率相关阻抗曲线所示。

实际上，高频下的电容响应归因于这种电子隧穿机制。这些结果表明，感测机制与嵌入PDMS中的SWCNT纸的感测机制类似，其中PDMS层之间的SWCNT纸与PDMS上的CNT接口在不同的应变水平下起不同的作用。

图7D示出了根据电阻抗谱(EIS)结果生成的纤维123的等效电路模型，其捕获了同轴纤维在不同应变水平下的特性。在低应变(ε＜20％)下，仅SWCNT芯124连接至电路，并且由于纤维123中的裂纹150的开口(参见图4B和图6)，其电阻随着拉伸期间的应变而增加。接口702被用作电容器或绝缘体。在高应变(ε＞20％)下，裂纹150生长得更宽，直到在纤维片段124A之间没有SWCNT网络连接。在该阶段，SWCNT裂纹150被认为是开路。电阻随着应变而增加，这归因于附接至TPE护套122的SWCNT接口702。由于电子隧穿效应，电流流过电容，从而允许更大的电荷移动。最终，降低了同轴纤维123的总电容。

为了证明同轴纤维123作为可变形传感器802的性能，11根4cm长的纤维123被附接至70cm长的可变形中空线缆800(参见图8A和图8B)的后侧和前侧，可变形空心线缆800可以被处理成“应变的”、“S”和“圆形”形状。使用胶带将传感器802附接至线缆800上的不同位置，并且对线缆运动的限制是最小的。在初始状态下，将金属杆804插入中空线缆800中，使得同轴纤维123上的应变为0％。所有传感器802的初始电阻R₀为200～300Ω(参见图8C)。注意，每个传感器802已经单独地连接至用于测量电流和/或电压的测量装置。在移除金属杆804之后，线缆800延伸并且同轴纤维123处于“应变的”状态，如图9A和图9B所示。对应于10％的应变(参见图9C)，纤维123的电阻增加。在单轴“应变的”状态中，线缆800的后侧和前侧上的传感器802具有类似的ΔR/R₀，这表明所有传感器802经历了相同水平的应变。

通过将线缆800处理成“S”(参见图10A)和“圆形”(参见图10C)形状，两侧上的纤维123发生不对称变形，导致了弯曲的内表面和外表面的ΔR/R₀之间的显著差异，如图10B和图10D所示。基于这些测量结果，可以通过ΔR/R₀坐标的3D曲线来区分线缆800的形状(或状态)，这证明了同轴纤维123能够被用作传感器802以检测并跟踪可变形对象的复杂运动。相同的纤维可以被附接至另一类型的对象，例如气球、机器的移动部件或者患者的手或者人体的任何区域，并且可以测量传感器的电阻变化。可以生成这样的测量结果的库，并且计算机可以基于测量的图案和存储在库中的图案的比较来识别传感器所附接的对象的形状或运动。

如图8A至图10D所示，已经证明了同轴纤维123用于在传感器/人机界面交互的可穿戴电子设备中的潜力。因此，用于制备高性能应变传感器的热塑性弹性体包裹的SWCNT的同轴纤维的同轴湿纺和后处理方法是可实现并且是期望的。关于图3讨论的方法在工业上是可行的并且适用于使用先前方法不能湿纺的导电纳米材料。同轴纤维是高度可拉伸且高度导电的。由于电绝缘且高度可拉伸的热塑性弹性体的涂层，同轴纤维足够坚固以被用作可拉伸的互连件，并且被用作可变形且可穿戴的应变传感器。基于同轴导电纤维的应变传感器显示出几个优点：(1)它结合了高灵敏度、高拉伸性和高线性度；(2)TPE护套防止短路并且确保装置的安全运行；(3)该纤维被证明具有大规模生产的潜力；以及(4)集成到可穿戴纺织品中的过程很容易。

上面讨论的同轴纤维能够在可变形且可穿戴电子设备中找到广泛的应用。上面讨论的示例能够扩展到其他导电材料，例如碳纳米材料、金属纳米颗粒和导电聚合物，从而为下一代可变形且可穿戴设备提供另一种方法。

所公开的实施例提供了用于生成适用于应变传感器的纤维的方法和机制。应该理解，本说明书不是为了限制本发明。相反，实施例旨在覆盖包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的替代、修改和等同物。此外，在实施例的详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对要求保护的本发明的全面理解。然而，本领域技术人员将理解，各实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。

尽管在实施例中以特定组合描述了本示例性实施例的特征和元素，但是每个特征或元素可以在没有实施例的其他特征和元素的情况下单独使用或者在具有或不具有本文公开的其他特征和元素的情况下以各种组合使用。

本书面描述使用所公开的主题的示例，以使本领域技术人员能够实践本主题，包括制作和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。本主题的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。这些其他示例将被认为在权利要求的范围内。

参考文献

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