随着人们重视身体健康程度的增加，具有生理信号监测功能的柔性传感器得到快速发展，但是供电能力与透气性限制了其长时间穿戴应用。为此，该工作通过3D打印直写技术将可充放电的锌空气电池引入多功能传感系统中，在电池的作用下，该系统可以连续监测人体温度与脉搏信号达4小时以上。

近期，济南大学王鹏&河工大孟垂舟&北理工沈国震&山大李阳教授联合在Advanced Fiber Materials上发表了题为“An integrated bifunctional pressure‒temperature sensing system fabricated on a breathable nanofiber and powered by rechargeable zinc-air battery for long-term comfortable health care monitoring”的研究成果。该成果以具有良好透气性的静电纺丝纳米纤维为基底，使用3D打印直接技术将锌空气电池、电阻式压力传感器与温度传感器进行集成，获得了可依靠自身供电连续工作4小时的健康监测手环。

该多功能传感系统是以可透气、疏水的静电纺丝纳米纤维为基底，其上包括三个部分，从左至右分别为可以监测体温的电阻式温度传感器、可充放电的锌空气电池与可以监测脉搏信号的压力传感器（图1）。

图1 可供电的多功能传感系统（a）结构示意图与（b）功能示意图

该多功能传感系统中压力传感器是以3D打印的银叉指电极为电极，MXene/TPU纳米纤维为敏感层，在压力作用下，电阻因纤维内部通路增多而降低；温度传感器是将具有高温度敏感的PEDOT:PSS/MXene/PVA混合浆料打印成方形后获得，在温度作用下，电阻因电子跃迁的数量增多而降低；锌空气电池是将含有离子的凝胶电解质填充到锌极与空气极中间后获得，其开路电压为1.39V，可以供传感系统连续工作4小时。该传感系统具有超柔与超轻的特性，可以被植物叶片支撑起来，可以任意弯曲，可以与不规则的手腕紧密贴合（图2）。

图2 可供电的多功能传感系统各部分的（A-F）SEM图、元素分布图与实物图。结构示意图与（G）功能示意图

得益于TPU静电纺丝纳米纤维薄膜的疏水与透气特性，以此为基底的可自供电的多功能传感系统可以有效防止汗液的侵蚀，可以有效提升其空气与水蒸气的交换能力，从而保证了该系统的穿戴舒适性（图3）。

图3 可供电的多功能传感系统的（a-b）疏水与（f-g）透气特性

得益于含有二维片层MXene的敏感层与隔层的引入，获得的压力传感器灵敏度高达6750 kPa^-1，响应时间为25 ms，最低检测限为20 Pa；得益于高温度敏感的PEDOT:PSS、MXene的引入与形状的设计，获得的温度传感器灵敏度高达-4.12 ℃^-1，监测范围为25-100 ℃（图4）。

图4 可供电的多功能传感系统的（a-g）压力传感机理与传感性能、（h-m）温度传感器的传感机理与传感性能

凝胶聚合物电解质嵌入空气电极和锌电极之间后形成锌空气电池，该电池有1.39V的开路电压，良好的充放电特性与稳定的充放电特性。

图5 锌空气电池的工作机理与性能测试

可供电的多功能传感系统在柔性机电系统与3D打印锌空气电池的帮助下，可以长时间（4小时）监测人体在不同运动状态下的温度与脉搏信号（图6）。

图6 可供电的多功能传感系统的（a-b）工作流程示意图与（c）人体温度、脉搏信号的长时间监测

论文链接：

https://doi.org/10.1007/s42765-024-00398-5

人物简介：

王鹏：济南大学机械工程学院讲师，校聘青年英才岗，研究方向为柔性传感器，重点突破柔性传感在实用化过程中遇到的传感材质柔弹性差、传感器件灵敏度低和可穿戴性差等瓶颈问题，积极推进其在脉搏、呼吸等人体生理体征监测、步姿与手势等运动状态识别等方向上的应用，并取得了一定的研究成果与奖励，发表论文17篇，包括6篇影响因子大于15的一区Top论文；申请发明专利12项，授权4项。荣获多项奖学金和荣誉，包括天津市创新奖学金、国家奖学金等。多次参与学术会议并作报告。个人主页：https://faculty.ujn.edu.cn/wangpeng1/zh_CN/index/149227/list.

孟垂舟：河北工业大学机械工程学院特聘教授，博士生导师。国家海外高层次人才引进计划青年特聘专家、河北省海外高层次青年人才、河北省侨联侨界专家委员会委员。清华大学物理学学士、博士学位，曾任职美国普渡大学生物医学工程系博士后研究员、美国IBM半导体研发中心高级工程师、新奥集团能源研究院石墨烯/储能/能源新材料等技术中心主任。长期从事新型纳米材料和高分子弹性体的制备研究，以及其在能源转换与存储、生物医学传感、柔性电子皮肤、可穿戴健康设备、和健康护理装备上的应用开发。

沈国震：北京理工大学集成电路与电子学院特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者。长期从事低维半导体材料及相关柔性电子器件的研究。以第一完成人身份获北京市科学技术二等奖、中国材料研究学会科学技术一等奖等。现任英国皇家化学会会士、中国材料研究学会理事。发表SCI收录论文300余篇，获引用超过3万，H-index为94。

李阳：山东大学集成电路学院教授，博士生导师，IEEE高级会员，科技部中韩青年科学家、山东省泰山学者青年专家、山东省高校集成电路创新团队带头人、山东省优青、山东省青年科技人才托举工程入选者、齐鲁青年学者，主持国家自然科学基金项目、科技部项目、山东省优秀青年基金项目、山东省重点研发计划项目等省部级以上项目10余项。主要研究领域：新一代半导体材料与器件；“传感存算一体化”芯片系统。已累计发表SCI检索论文100余篇，其中以第一作者/通讯作者在Chem. Soc. Rev.、Matter、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、IEEE Trans. Electron, Dev. 等领域内顶尖期刊上发表中科院一区文章45篇，包含封面文章10篇，授权国家发明专利15项，韩国发明专利11项。