碳基柔性应变传感器-人体运动检测的最新进展和性能见解

摘要：柔性应变传感器已经从基本的机械应变计发展成为先进的系统，在监测结构健康和人体运动方面发挥着重要作用，应用领域包括医疗保健、体育和康复。这些传感器，尤其是由石墨烯和碳纳米管等碳基材料制成的传感器，通过柔性基底和导电层的结合，将机械变形转化为可测量的电信号，从而具

柔性应变传感器已经从基本的机械应变计发展成为先进的系统，在监测结构健康和人体运动方面发挥着重要作用，应用领域包括医疗保健、体育和康复。这些传感器，尤其是由石墨烯和碳纳米管等碳基材料制成的传感器，通过柔性基底和导电层的结合，将机械变形转化为可测量的电信号，从而具有高灵敏度和耐用性。利用低功耗蓝牙（BLE）、Wi-Fi、近距离无线通信（NFC）和射频识别（RFID）等无线通信协议的可穿戴设备和物联网系统可实现实时监控和跟踪，而无需电池的 RFID 标签则为无线身体移动跟踪提供了有效的解决方案。人工智能的集成，特别是通过机器学习和深度学习，进一步增强了可穿戴传感器技术，实现了先进的数据分析和持续监测，只需最少的监督。尽管取得了重大进展，但在这些传感器的制造和日常集成方面仍然存在挑战，需要在材料和人工智能驱动的数据处理方面采用创新方法，以开发可靠、高性能的日常使用传感器，扩大其在健康监测和人机界面方面的潜力。

本文，马来西亚莫纳什大学Narayanan Ramakrishnan等研究人《Chemical Engineering Journal》期刊发表名为“Carbon-based flexible strain sensors: Recent advances and performance insights in human motion detection”的综述，分析了碳基材料（包括碳黑、石墨烯、碳纳米管和碳纳米管纤维）在全功能可穿戴传感器中的优缺点及其相关性能参数。我们还探讨了无线和人工智能集成的机会，同时全面回顾了碳基柔性可穿戴应变传感器及其仪器。

为确保综述的全面性，Lens.org 被用作收集相关文献的主要平台。我们制定了一个结构化查询，将标题或摘要中出现 “碳 ”一词，而标题中特别要求出现 “应变传感器 ”的研究论文包括在内。为了进一步完善搜索，还加入了 “人体运动”、“柔性 ”和 “可穿戴 ”等其他关键词。查询设置为检索2020 年至 2025 年间发表的期刊论文，确保只考虑同行评审的期刊论文。搜索结果根据不同的碳材料分为五组：炭黑、石墨烯、碳纳米管（CNTs）、多壁碳纳米管（MWCNTs）和碳纳米纤维（CNFs）。作为文章筛选方法的一部分，只考虑相关论文，而将综述论文和重复条目排除在外。因此，最终筛选出 25 篇关于碳黑传感器的论文、71 篇关于石墨烯传感器的论文、76 篇关于 CNT 传感器的论文和 7 篇关于 CNF 传感器的论文。此外，还根据引用的参考文献以及相关的无线和人工智能技术进行了人工筛选。最后，265篇论文被纳入本综述。图 2 说明了综述主题之间的联系，主要是对基于石墨烯、CB、CNF 和 CNT 的传感器进行了前沿综述，并分析了它们与其他复合材料和柔性基材（如 Ecoflex）集成后的性能参数。此外，还研究了将这些传感器转化为具有无线连接功能的可穿戴应用的策略。最后，还研究了人工智能算法方面的最新成果，包括有监督、无监督和强化学习方法，并确定了主要挑战和机遇。