近日，我院青年英才岗王鹏博士在柔性传感领域取得新进展，相关工作以“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（https://doi.org/10.1007/s42765-024-00398-5）”为题，发表于柔性电子领域国际顶级期刊《Adanced Fiber Materials》（中科院一区Top期刊，影响因子16.1）。王鹏博士为论文第一作者，BoB半岛·体育中国官方网站为第一单位。该成果的刊发表明我院在柔性传感领域的研究得到国际同行的认可，推动了我校机械工程学科的发展。

（1）导读：

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。

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（2）正文

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

（3）总结

综上所述，该工作基于静电纺丝工艺与3D打印直写技术获得了可自己连续供电4小时的多功能传感系统。该传感系统在打印的锌空气电池与搭建的柔性机电系统帮助下，可以同时精确监测不同运动状态下人体的温度与脉搏信号，为人体健康监测提供了一种途径。得益于纳米纤维基底的超薄、透气与疏水特性，所制备的传感系统具有很好的透气性与疏水性，可以保证长时间的穿戴舒适性，避免汗液的侵蚀，为柔性电子的穿戴舒适性与可靠性提供了一种思路。

（4）作者介绍

王鹏：BoB半岛·体育中国官方网站讲师，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等发表论文17篇，其中影响因子大于15的中科院一区Top论文6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.