纱线级应变传感器可通过织造或缝纫实现融合集成，是智能监测纺织品的重要技术路线。人体活动既包含关节、肌肉引起的拉伸形变，也伴随支撑、束缚与碰撞等产生的接触压力。然而，纱线的径向可压缩空间有限，导致其压力响应往往较弱、可测范围受限。

近日，浙江大学徐凯臣研究员联合香港理工大学Joselito M. Razal教授和苏州大学潘志娟教授团队在期刊《Nano Research》上，发表了最新研究成果“MXene-enhanced nanofiber yarns for dual-mode sensing in wearable electronics”。该工作提出一种自收缩、自捻合结构的MXene@炭黑（CB）/聚氨酯（TPU）复合纳米纤维纱，实现单根纱线的拉伸/压力双模态感知。

该纱线以MXene作为高导电涂层、TPU纳米纤维膜作为弹性基底，并引入CB掺杂导电纳米纤维构建协同导电网络：在拉伸过程中，导电纳米纤维可桥接MXene层裂纹以维持连续导电通路，从而显著提升传感线性与稳定性。同时，纳米纤维膜自收缩形成多层卷曲体结构，并经自捻合组装成双重加捻纱线，使其在径向受压时同时强化卷曲体内部的层间接触与卷曲体之间的接触电阻响应，获得超宽量程的压力传感。该纱线在拉伸下实现应变量程106%、灵敏度（GF）56、线性度（R²）0.994；在压力下实现最高10 MPa的检测量程，在0–3 MPa区间保持17.74 MPa⁻¹的灵敏度与 0.997的线性度；并且在5000次循环载荷与30次超声洗涤后仍能稳定工作。基于单根传感纱线的织物集成验证表明，其可同时监测关节弯曲、心跳、呼吸等拉伸信号，以及手指按压、足底踩踏等压力信号；进一步开发的智能护腰能够识别运动过程中腰部的动态压力变化与不同坐姿引起的静态压力差异，展示了面向全场景人体运动健康监测的应用潜力。

图1 MXene@CB/TPU复合纳米纤维纱的制备流程示意图：（a）双针原位静电纺丝制备CB/TPU复合纳米纤维膜；（b）在CB/TPU复合纳米纤维膜表面刮涂MXene；MXene@CB/TPU复合纳米纤维膜的（c）润湿与（d）自收缩过程；（e）MXene@CB/TPU复合纳米纤维卷曲体（scroll）的结构示意图；MXene@CB/TPU复合纳米纤维纱的（f）一次加捻与（g）双重加捻制备过程。

图2 复合材料的SEM、TEM及EDS表征：（a）CB/TPU复合纳米纤维膜（插图中蓝色为纯TPU纳米纤维、红色为CB掺杂TPU纳米纤维）；（b）CB掺杂TPU纳米纤维；（c）MXene@CB/TPU复合纳米纤维膜；（d）涂层中Ti元素分布；（e）图（c）的截面形貌；（f）图（a）的背面形貌；（g）MXene@CB/TPU复合纳米纤维卷曲体；（h）分别通过DMF水溶液和去离子水自收缩得到的MXene@CB/TPU复合纳米纤维卷曲体的截面；（i）MXene@CB/TPU复合纳米纤维纱线。

图3 使用不同浓度MXene油墨制备的MXene@TPU复合纳米纤维纱（无CB掺杂）的性能表征：（a）断裂伸长率与断裂应力，（b）电阻率，（c）相对电阻变化—应变曲线。使用1 wt.%浓度MXene油墨并含有不同比例CB掺杂TPU纳米纤维的MXene@CB/TPU复合纳米纤维纱的性能表征：（d）断裂伸长率与断裂应力，（e）电阻率，（f）相对电阻变化—应变曲线。

图4 复合纱线的双模态传感性能。（a）MXene@CB/TPU纱线与近期文献中高线性度纱线基应变传感器在拉伸传感量程、灵敏度与线性度方面的对比。（b）MXene@TPU纱线、MXene@CB/TPU卷曲体以及MXene@CB/TPU纱线在50%循环拉伸应变测试中前20个循环中的相对电阻变化。MXene@CB/TPU纱线的拉伸传感性能：（c）不同循环应变幅值下的相对电阻变化；（d）与图（c）对应的应力—应变曲线；（e）不同应变速率下的相对电阻变化；（f）0–100%准静态阶梯应变下的相对电阻变化及响应时间；（g）50%应变下5000次循环过程中的相对电阻变化。（h）分别在DMF水溶液与去离子水中自收缩得到的MXene@CB/TPU纱线，在不同次数超声洗涤后于50%循环应变下的相对电阻变化。（i）MXene@TPU纱线、MXene@CB/TPU卷曲体与MXene@CB/TPU纱线的相对电阻变化—压力曲线。MXene@CB/TPU纱线的压力传感性能：（j）不同循环压力幅值下的相对电阻变化；（k）与图（j）对应的压力—压缩曲线；（l）3 MPa压力下5000次循环过程中的相对电阻变化。

图5 MXene@CB/TPU纱线的传感机理分析。MXene@CB/TPU膜在（a）小应变与（b）大应变条件下的SEM图像。（c）纱线内协同导电网络的拉伸传感机理示意图。（d）MXene@CB/TPU纱线有限元模型设定。（e）在逐步增大的径向压力下，纱线模型的等效应力分布有限元模拟。MXene@CB/TPU纱线的压力传感机理：（f）内部结构与（g）外部结构。

图6 缝入织物的MXene@CB/TPU纱线的相对电阻变化：监测（a）膝关节弯曲，（b）肘关节弯曲，（c）腕关节弯曲，（d）心跳，（e）呼吸，（f）手指按压，（g）足底踩踏。

图7 集成MXene@CB/TPU纱线的智能护腰的输出信号，监测不同腰部状态：（a）行走，（b）腰部扭转，（c）角度逐步增大的弯腰动作，（d）下蹲，（e）跳跃，（f）不同坐姿。

论文链接：https://www.sciopen.com/article/10.26599/NR.2026.94908397

人物简介：

徐凯臣，浙江大学百人计划研究员，博导，现任职于浙江大学机械工程学院（杨华勇院士团队），入选国家青年人才计划，浙江省杰青，日本学术振兴会（JSPS）特别研究员。致力于柔性/生物电子设计制造、激光融合/原位制造研究，主持国家自然科学基金4项（联合基金重点/海优/面上/青年）、国家科技重大专项课题、浙江省重大等国家、省部级项目，以第一/通讯在Nature Electronics, Nature Communications（2篇）, Science Advances, National Science Review（2篇）等发表论文50余篇，12篇高被引/热点论文，授权中美日发明专利20余项（美日专利7项），担任《极端制造（英文）》、《生物设计与制造（英文）》、《光电工程》等期刊副编辑/编委。

汤健，浙江大学高端装备研究院博士后（导师：谢海波教授、徐凯臣研究员），本硕博毕业于苏州大学（导师：潘志娟教授），曾国家公派前往澳大利亚迪肯大学联合培养（导师：Joselito M. Razal教授）。主要从事智能纺织材料及电子器件的开发与产业化，以第一/通讯发表SCI论文10篇，授权/公开国家发明专利5件，主持浙江省博士后科研项目（一等资助），作为项目负责人获全国博士后创新创业大赛铜奖。