DOI: 10.1039/D0MH00716A

柔性可拉伸应变传感器在人体生理活动、物体变形以及人机界面中具有广泛的应用。然而，制备具有线性和优异压阻信号响应的可拉伸应变传感器仍然是一项挑战。在此，研究者报告了一种简便且可扩展的微结构设计策略，以生成模拟节肢动物的身体和龙虾的尾巴结构的独特节段分层纤维表面结构，以实现线性应变传感响应。微纳米级分段软（热塑性聚氨酯，TPU）-硬（聚苯乙烯，PS）结构的交替模量差异使得能够启动与有限元分析一致的显著应变集中效应，从而调整传感性能，例如对于30％以内的应变，线性度在0.48-0.99之间变化，且应变系数在5.25至23800之间。这种仿生结构的纤维传感器在检测人体皮肤表皮扰动、微小曲率变化、声波振动以及在TPU核心添加荧光剂时的机械变色反应等方面具有潜在的应用前景。此外，由于具有应变放大效应的异质结构设计，该传感器还能够检测各种类型的有机蒸气，为设计用于可变人机界面应用的多功能柔性传感器开辟了新途径。

图1.a）小龙虾尾巴和鳞翅目昆虫的照片。b）仿生交替分段纤维膜的制备示意图，包括同轴电纺TPU芯和PS鞘（阶段i），预拉伸定向纤维毡（阶段ii），银前驱体与纤维的相互作用（阶段iii）和释放预应变之前银前驱体的还原（阶段iv）。c-e）定向芯-鞘纤维的SEM图像，c）预应变后TPU芯和分段PS鞘的顶视图、d）侧视图和e）粗糙表面。

图2.经过预拉伸处理和活性Ag层负载后的分段形态。a）结构化纤维（插图）的分段结构和形态的放大SEM图像，右侧插图分别为i）ASF-30、ii）ASF-50和iii）ASF-100。b）Ag负载过程的示意图。i）乙醇的轻微溶胀作用；ii）苯环的π电子与银的5s和5p轨道电子相互作用；iii）Ag NPs负载在PS和TPU的表面和次表面上。c）Ag负载后分段纤维的SEM图像，左侧的图示分别为i）ASF-30、ii）ASF-50和iii）ASF-100。

图3.a）具有不同预应变的ASF传感器的相对电阻响应。b）用预应变绘制的线性和GF值曲线。c）控制纤维基传感器的相对电阻响应。d-f）三种类型的电阻变化模式（下）和相应的SEM图像（上），d）鞘PS段之间的Ag纳米粒子桥接，e）PS/TPU表面的Ag纳米粒子裂纹，f）在节段边缘TPU与PS之间的内聚导电层。

图4.分段结构纤维上应变集中的理论分析。a）有限元分析模型。b，c）CPU/SPU系统（b）和CPU/SPS系统（c）的有限元模拟分析，包括不同应变水平下的对数应变等值线：（i）0％，（ii）5％，（iii）15％。（iv）分别为分段结构过渡区域的放大轮廓图像。d）根据应变绘制内聚部分（节点1）和TPU中心区域（节点2）的对数应变。e，f）基于图3f（e）的SEM图像进行的电势分布模拟，以及沿纤维方向的电势下降表示在标记有绿色矩形（f）的分段边缘处的较大下降。

图5.具有可调节感应能力的仿生结构纤维的应用。a）弯曲物体的曲率检测（右）和相应的曲率计算示意图（左）。b）ASFS感测敲击压力和相应的图示模型（左）以及图片（插图）。ASFS c）区分人体的咀嚼和吞咽，d）记录带有相应插图的可听振动的节奏（左图）。ASFS-100对不同蒸气的响应信号（e）和相应的相对电阻幅度（f）：i）乙醇，ii）丙酮，iii）四氢呋喃，iv）二甲基甲酰胺。g）在ASF毡的PU芯中层压FITC后，荧光强度在不同应变下发生变化。