华中科技大学联合香港城市大学：受蝎子的启发研究用于实时无线检测液体泄漏的超灵敏柔性应变传感器

研究背景

流体输运管道网络的正常运转是居民生活和工业生产的重要保障。然而，因长期使用、腐蚀、自然灾害或人为破坏引发的管道泄漏，往往导致巨大的资源浪费、公共安全隐患和生态破坏。当前的泄漏检测技术主要依赖声学检测、光纤检测、红外检测和雷达检测等技术手段，但这些方法成本高、监测范围有限、对微小液体泄漏不敏感，且难以实现实时监测。因此，亟需开发一种高效、低成本、覆盖范围广且具备实时监控能力的新型检测技术，以增强应对突发管道泄露事件的能力。聚合物基柔性应变传感器能够实时将外力变化转化为电信号，具有高灵敏度和柔韧性的优势，在液体泄漏检测方面展现出巨大潜力。然而，如何将这种传感器用于管道的实时无线泄漏检测，同时实现灵敏度、耐久性和批量生产之间的最佳平衡，仍是一个重大挑战。

本文亮点

1. 提出了利用微挤压成型和表面改性技术大规模制造超疏水热塑性聚氨酯传感器(TCGS)的方法。

2. 受蝎子的启发，TCGS 采用了阿基米德螺旋裂纹阵列和微孔，在 2% 应变时灵敏度达到 218.13，提高了 4300%，耐用性超过 5000 次。

3.TCGS 强大的超疏水性提高了检测小规模液体泄漏的灵敏度和稳定性，可对各种规模和成分进行精确监测，同时在各种情况下提供预警。

内容简介

管网液体泄漏不仅造成大量资源浪费，还导致环境污染和生态失衡。针对这一全球性问题，华中科技大学瞿金平院士/吴婷副教授联合香港城市大学胡金莲院士开发了一种由生物启发的超疏水热塑性聚氨酯/碳纳米管/石墨烯纳米片柔性应变传感器(TCGS)，采用微挤压成型和表面改性相结合的方法，用于实时无线检测液体泄漏。受蝎子感知能力的启发，TCGS利用阿基米德螺旋裂纹阵列和微孔的协同效应，在应变为2%时其灵敏度达到218.13。此外，它还实现了超过5000次的使用周期，表现出超强的耐用性。

图文导读

ITCGS 的设计和制造

蝎子通过关节之间的弯曲裂缝感应器感知周围的振动，裂缝感应器表面大约有十二条弯曲的裂缝，下面有许多细胞。受蝎子这种能力的启发，结合工业化的μ-ECM和表面改性技术，设计了一种TCGS。图1b展示了制备过程中的两个主要步骤：(i)通过μ-ECM制备TPU/CNTs(TC) 泡沫；(ii)通过表面改性和组装制备TCGS。TCGS由三层组成：由GNS和PDMS制成的超疏水导电层、带有植入电极的微孔-裂缝协同导电 TC 泡沫和 TPU 薄膜支撑层(图1c)。

图1. 受蝎子感知系统启发的TCGS的示意图。a 蝎子拥有超灵敏的裂缝器官，帮助它们感知外部力和振动。放大的图像描述了感知系统，由裂缝阵列、众多细胞和神经元组成。b 展示了TCGS制备过程的示意图。c TCGS在实时无线检测液体泄漏中的应用。     IITCGS 的结构和特性 TCGS 的结构分为三个层次：微孔、阿基米德螺旋裂纹阵列和表面的GNS/PDMS涂层。TC-1 的尺寸为 40 × 40 × 1 mm³，重量轻，密度为0.586 g cm⁻³，可以很容易地用粉红色花朵支撑(图2)。测试结果表明，ERE 中的体积延伸流实现了Na₂SO₄和CNTs在TPU基质中的均匀分散，形成了孔径分布均匀的稳定三维互连导电网络。 图2. TCGS的微观形态和特性。a 由一朵粉色花朵支撑的方形TC-1。b TC-1在去离子水中浸泡12小时前后的对比。c FTIR光谱。d TC-0、TC-0.5、TC-1、TC-1.5和CNTs的XRD图谱。e 拉伸应力-应变曲线。f TC泡沫的拉伸强度和断裂伸长率。g TC泡沫的孔径分布。h TC-1的横截面SEM图像。i h的放大视图，j, k TCGS-7的表面SEM图像。l TCGS-7的横截面SEM图像和m元素分布。n 激光扫描共聚焦显微镜图像。o GNS、TC-1和TCGS-7的XPS全谱。p TCGS-7的C 1s XPS光谱。     III应变传感性能 对不同裂纹宽度的TCGS进行测试，宽度为50 μm的传感器在0至2%应变范围内灵敏度最高，为218.13，明显高于其他宽度的传感器(图3)。窄裂纹的开合范围有限，导致导电路径的微小变化，降低了灵敏度；而过宽的裂纹则减少了导电路径的变化，削弱了机械强度，影响了稳定性。在裂纹深度方面，当TCGS-7的裂纹深度从65 μm增加到155 μm时，灵敏度先增加后降低。深度为130 μm的传感器在 2% 应变时灵敏度最高，超过深度为155 μm和65 μm的传感器的灵敏度，分别为200.24和98.79。虽然较深的裂缝会提高灵敏度，但过深的裂缝可能会降低稳定性。

图3. TCGS的工作机制和性能。a 在0到2%应变范围内的电阻变化。b 在0.1%、0.2%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%和1%应变下的ΔR/R0-应变曲线。c 在0.3%应变下，不同施加频率的ΔR/R0-应变曲线。d 在0.2%应变下的响应和恢复时间。e 在0.3%应变下超过5000周期的长期稳定性。f FEA模拟，模型中N的值为0、3、5和7。g 对于N=7的模型，在不同压力下的位移变化。h 在不同应变下，微孔-裂缝协同结构内的应力分布和电流密度模分布。i 与最近文献报道的柔性应变传感器相比，我们传感器的灵敏度。

IV润湿性和液滴检测性能

超疏水表面具有超强的疏水性，对于提高液体泄漏检测传感器的灵敏度和耐用性至关重要。这种疏水性是通过高表面粗糙度和低表面能的协同组合实现的在这项工作中，采用了一种具有成本效益且可扩展的方法来开发传感器的超疏水表面。首先，通过超声波将GNS和PDMS均匀地分散在EA溶液中。通过精确控制喷涂速度，实现了喷涂速度和溶剂蒸发速度之间的平衡，从而在传感器表面形成了均匀的微纳米结构GNS/PDMS 涂层。加热后，PDMS固化，TPU基质软化，将GNS牢固嵌入复合基质中，从而确保了微纳米结构的稳定性。

图4. 对包括静态润湿性、动态润湿性和各种液滴的电气响应信号在内的传感器特性分析。a 对CA、RA和静态润湿性的分析。b 选定的快照显示了液滴以0.77和0.99 m/s的速度撞击TCGS-7表面，包括动态润湿性分析。c 对从30 cm高度掉落的不同大小的水滴的电气响应，包括线性分析。d 对从不同高度掉落的70 μL水滴的电气响应，进行线性分析。e 对各种组成的水滴的响应：自来水、酸性(pH=4)、碱性(pH=10)、5%盐水溶液和5%泥浆溶液。f 分析了不同pH水平、盐浓度和泥浆含量的溶液中液滴的CA、RA和电气响应。g 对水滴的电气响应信号进行长期检测。

VTCGS 在液体泄漏检测中的应用

在城市的地下，复杂的管道网络是城市运行的生命线，输送着水和其他重要液体。然而，频繁的泄漏不仅会浪费资源，还会带来环境和公共安全风险。为应对这一挑战，使用TCGS进行泄漏检测提供了一种有效的解决方案。具体来说，TCGS的电极与微控制器相连，微控制器捕捉液体泄漏引起的电阻信号变化，并通过蓝牙或WiFi将这些信号无线传输到智能手机，从而实现远程监控。此外，泄漏检测装置还能通过不同颜色的警告直观地显示泄漏的严重程度，从绿色表示无泄漏到红色表示严重泄漏，从而使管道管理人员能够快速识别和解决这些问题。在城市管道系统中广泛部署这些泄漏检测装置，可确保及时检测和定位泄漏。

图5. 基于TCGS的泄漏检测设备的应用。a 城市下管道分布和泄漏的概览(左)，不同管道泄漏的放大视图(中)，以及基于TCGS的泄漏检测设备的组件(右)。b 液体泄漏检测过程：从正常状态，到水滴泄漏，小水流泄漏，大水流泄漏，最后恢复。c 泄漏检测的硬件设计。d 软件设计。e 正常状态、水滴泄漏、小水流泄漏、大水流泄漏的响应信号。f 对各种液体的泄漏检测：酸性(pH=5)、碱性(pH=10)、盐水(5%浓度)和泥浆(5%浓度)。

VI总结

综上所述，成功开发了一种 TCGS 泄漏检测装置，该装置具有超高的灵敏度和稳定性，能够灵敏、高精度地检测液体泄漏并发出警告。受蝎子传感机制的启发，TCGS利用了微孔和阿基米德螺旋裂纹的协同效应，具有以下优点：(1)制造方法结合了μ-ECM和表面改性，具有成本效益高、简单易用和可扩展性强的特点；(2)阿基米德螺旋裂纹阵列将传感器的灵敏度提高了 4300%，在应变仅为2%的情况下灵敏度达到218.13 ；(3)微孔和裂纹的协同结构大大降低了应力集中，极大地提高了传感器的稳定性，确保了超过 5000 次的使用寿命；(4)TCGS的坚固超疏水性有效防止了液体附着，即使在潮湿环境中也能保持高灵敏度和稳定性；(5)它能够定量检测各种大小和速度的小体积液体，线性响应超过0.98；(6)该设备支持实时无线检测各种液体的泄漏，包括水、酸、碱、盐溶液和泥浆。基于 TCGS 的设备涵盖了从液滴到大流量泄漏的各种泄漏情况，并能及时发出警报。因此，该检测装置因其卓越的环境适应性和可扩展性，在防止全球液体泄漏和促进可持续发展方面具有实用价值。

审核编辑 黄宇