仿生透气双模式传感织物：纳米纤维网络的汗液管理与生理信号精准捕捉
来源：i学术i科研
发布时间：2025-06-23
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可穿戴电子设备在健康监测领域需求显著，但传统单一功能传感器无法满足复杂生理信号监测需求。现有双模式传感器常因结构设计导致信号串扰，且缺乏透气性，在出汗场景下易受干扰。此外，多数柔性传感器在汗液环境中稳定性不足，限制了其在运动健康监测中的应用。开发兼具高灵敏度、抗干扰能力和透气舒适性的多功能传感器成为亟待解决的问题。
研究成果
透气电子设备在提升佩戴舒适性方面具有潜力，但仍难以应对出汗问题。在此，山东大学李阳&合北工业大学孟垂舟、刘腾教授等人开发了一种具有汗液吸附和蒸发能力的柔性透气双模式压力-温度传感器。该器件通过静电纺丝工艺构建于双层热塑性聚氨酯（TPU）/聚丙烯腈（PAN）纳米纤维垫上，其中PAN纳米纤维具有亲水性以吸附汗液，而TPU纳米纤维具有疏水性以阻止汗液侵入传感结构。扩散的汗液蒸发为水汽后，通过整个基底的内部织物微通道排出，确保优异的透气性。此外，基于平面离子型超级电容器的压力传感和基于蛇形电阻的温度传感实现了无串扰工作。 所开发的传感织物在连续监测手腕脉搏跳动和皮肤温度的实际应用中表现出色，其独特的汗液吸附和蒸发能力可保持皮肤干爽状态。这项工作将推动下一代高舒适性可穿戴医疗管理透气电子设备的发展。相关研究以“Permeable Dual-Mode Pressure−Temperature Sensing Textile with Sweat Adsorption and Evaporation Capability”为题发表在ACS Sensors期刊上。
研究亮点
1. 压力、温度双模式传感与汗液管理一体化设计，解决单一功能传感器的局限性。
2. 模拟皮肤分层功能，通过亲水/疏水纳米纤维层实现汗液高效吸附与蒸发，透气率提升 3 倍。
3. 独立的电容-电阻传感路径避免信号串扰，在湿度变化中保持检测误差 < 3%。
4. 超薄（<0.5 mm）柔性结构与皮肤贴合，长期佩戴无刺激，适用于连续健康监测。
研究内容
双层纳米纤维基底设计
底层为亲水聚丙烯腈（PAN）纳米纤维，用于吸附汗液；上层为疏水热塑性聚氨酯（TPU）纳米纤维，防止汗液侵入电子结构。
中间集成离子液体（IL）复合 TPU 纳米纤维层，形成平面超电容和蛇形电阻，分别实现压力和温度传感。
双模式传感机制
压力传感：基于离子液体 / TPU 界面的电容变化，灵敏度高达 554.05 kPa⁻¹，检测范围 0–56 kPa，响应时间 50 ms。
温度传感：利用 PEDOT:PSS / 石墨烯复合电阻的温度系数（0.01 °C⁻¹），检测范围 30–100 °C，响应时间 1.4 s。
抗干扰与透气性能
疏水 TPU 层有效阻挡汗液渗透，亲水 PAN 层快速吸附汗液，结合纳米纤维孔隙结构，实现水分蒸发速率 159.4 g・m⁻²・h⁻¹，保持皮肤干爽。
空气渗透率达 9.2 mm/s，远超传统柔性电子材料，避免闷热环境导致的检测误差。
实际应用验证
在手腕运动监测中，同步采集脉搏（67–131 次 / 分钟）和皮肤温度（31.5–33.5 °C），信号稳定性在汗液环境中保持率超 95%。
前臂覆盖实验显示，即使在高强度运动后，皮肤表面湿度较传统材料降低 60%，无明显泛红或不适。
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