近期，山大李阳教授/济南大学王鹏/河工大孟垂舟教授联合在Advanced Fiber Materials上发表了题为“Natural Human Skin‑Inspired Wearable and Breathable Nanofiber‑based Sensors with Excellent Thermal Management Functionality (https://doi.org/10.1007/s42765-024-00464-y)”的研究成果。论文第一作者是济南大学机械工程学院青年英才岗王鹏博士，该成果以具有良好透气性的静电纺丝纳米纤维为基底，富含离子的多孔凝胶作为电解质，获得了具有压力传感与人体热管理双功能的柔性传感器（TOC）。
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柔性传感设备由于其高灵敏度、宽检测范围、快速响应时间和完美贴合人体皮肤的能力而具有实用性，因此受到了越来越多的关注。然而，大多数报道的柔性传感器都是在不透水的聚合物基底上制备的，这会阻碍被覆盖的皮肤与外界之间的气体交换，导致穿着时的不适和可靠性较弱。为了克服上述问题，棉织物和纱线等天然纺织品因其透气性、重量轻和舒适性高而被广泛用作制造柔性传感器的基底。
然而，大多数基于纺织品的传感器由于其亲水性、高厚度和低弹性模量的固有缺陷，其实际应用仍然受到限制。具体而言，如果可穿戴传感器在长时间覆盖后遇到皮肤分泌的汗液，织物的亲水性会导致织物纹理上图案化的敏感材料（例如，碳基材料、导电聚合物和金属纳米颗粒）被破坏。同时，高厚度和低弹性模量阻止了可佩戴传感器适应柔软皮肤的变形，从而降低了传感精度和佩戴舒适性。因此，迫切需要开发同时具有透气性、透气性、防水性和薄度优点的先进可穿戴传感器。
通过简单的静电纺丝工艺制造的纳米纤维制成具有良好耐磨性和舒适性，超薄厚度、足够的透气性、非凡的疏水性、高孔隙率和良好的表面功能成为可穿戴传感器的有前途的替代基底。然而，一个新的挑战已经出现，因为它们的超薄和多孔性质不可避免地导致较差的保温能力，这严重削弱了在寒冷条件下穿着的舒适性。由于开放空间中热量的复杂变化和快速耗散，在户外保持身体温暖是非常必要的，但也同时具有挑战性。因此，开发出具有个人热管理功能与人体健康监测功能的可穿戴传感器非常重要的。
受人类天然皮肤的启发，我们开发了一种可穿戴、透气的基于纳米纤维的传感器，该传感器不仅具有基于被动保温和主动焦耳加热效应的卓越热管理功能，还具有良好传感性能。该传感器由碳纳米管（CNT）/热塑性聚氨酯（TPU）纳米纤维电极层、微孔离子气凝胶电解质中间层和微结构Ag/TPU纳米纤维电极层组成。得益于传感器的微结构与离子超级电容压力传感机制，该传感器表现出优异的传感性能。即灵敏度为24.62 kPa-1、响应时间为50 ms和检测范围为120 kPa。此外，由于TPU的整体多孔结构和疏水性，该传感器表现出优异的透气性（62 mm/s）和防水性能，（接触角为151.2°）。此外，具有高太阳能吸收率（70%）的CNT（上层）、用于隔热的具有低导热率（0.063W·m-1·k-1）的气凝胶（中间层）和面向皮肤的具有高红外反射率（85%）的Ag（底层）使传感器具有良好的被动保温性能。因此，该传感器的表面温度比商用棉布的表面温度高16.8 ℃。此外，通过对底部电阻Ag电极施加电流，即使在极冷的环境中，传感器的表面温度也可以在2分钟内快速升高58.8 ℃，这表明皮肤可以根据需要进行加热。所提出基于纳米纤维的可穿戴传感器由于其透气性和疏水性而佩戴舒适，并且在寒冷环境中显示出卓越的热管理功能，有望用于健康监测和热疗中。
图1 传感器结构示意图与表征
设计的传感是三明治结构，包括三个部分，即上层构化CNT/TPU纳米纤维电极层、中间多孔离子凝胶电解质层和下层Ag/TPU纳米纤维电极层。由于纳米纤维和多孔电解质的柔性，传感单元和阵列都可以弯曲和扭曲，为传感器与皮肤的良好贴附和高精度信号监测奠定了基础（图1）。
图2 传感器的被动制热与保温性能表征
具有高辐射吸收率的CNT电极、具有高红外反射率的Ag/TPU纳米纤维电极以及具有低热导率的离子凝胶膜赋予传感非凡的热管理性能。测试结果表明，离子凝胶的热导率低至0.032W·m-1·k-1，与空气的热导率接近，可以有效防止热量散失。高的太阳吸收率对个人辐射加热至关重要，这种材料具有高的太阳吸附率和低的大气窗口热发射率，使其具有良好的辐射加热性能。碳纳米管可用于有效吸收阳光热量，在寒冷天气下对传感器加热。Ag/TPU纳米纤维电极具有高的红外反射比（85%），可以有效防止人体辐射热交换造成的热量损失（图2）。
图3 传感器的焦耳热性能表征
在寒冷的冬季，传感器中的Ag/TPU纳米纤维电极具有良好焦耳热效应，可以作为佩戴者的热源，为人体正常生理活动提供适当温度（图3）。
图4 传感器的传感性能表征
得益于传感器的微结构与超级电容传感机理，该传感器表现出优异的传感性能。即灵敏度为24.62 kPa-1、响应时间为50 ms和检测范围为120 kPa，可以应用于人体肢体运动检测与二维压力分布检测中（图4）。
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，以第一作者（共一、通讯）在本领域国内外重要期刊Nano Energy、Advanced Fiber Materials、Chemical Engineering Journal、Advanced Electronic Materials、Advanced Materials Interfaces 、Nanoscale等发表SCI论文23篇，其中影响因子大于10的中科院一区Top论文10篇；申请发明专利12项，授权4项；受邀担任国际SCI检索期刊Nano Energy、ACS Applied Materials & Interfaces、Advanced Materials Interfaces、Measurement、Journal of Physics D: Applied Physics等的审稿人；获得天津市创新奖学金1次（2022年），天津市王克昌文化科技奖学金1次，博士研究生国家奖学金2次（2021年与2022年）、河北省优秀研究生毕业生1次（2023年），河北工业大学学术之星1次（2022年）；多次参加学术会议并做分会场报告。
个人主页：https://faculty.ujn.edu.cn/wangpeng1/zh_CN/index/149227/list.
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。
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。
Peng Wang, Xiaodan Li, Guifen Sun, Guoqing Wang, Qing Han, Chuizhou Meng, Zhonghe Wei and Yang Li. Natural Human Skin‑Inspired Wearable and Breathable Nanofiber‑based Sensors with Excellent Thermal Management Functionality. Adv. Fiber Mater., 2024.
