一、研究背景

類皮膚多模態(tài)電子器件（SMED）是推進(jìn)仿人機(jī)器人、可穿戴技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，能實(shí)現(xiàn)與復(fù)雜環(huán)境的無縫交互和感知，但現(xiàn)有技術(shù)面臨核心挑戰(zhàn)：薄膜基傳感器透氣性差、生物相容性不足，長期佩戴易引發(fā)皮膚不適；難以在保持高透氣性、舒適性的同時，集成應(yīng)變、壓力、溫度、濕度等全面?zhèn)鞲泄δ?，且濕環(huán)境下皮膚-電極界面穩(wěn)定性不足，限制了其在健康監(jiān)測、人機(jī)交互等場景的實(shí)際應(yīng)用。

安徽工程大學(xué)王宗乾、鄭賢宏團(tuán)隊(duì)聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)曹文濤研究員，研發(fā)一種超薄、透氣、能“濕身作戰(zhàn)”的智能電子皮膚（SMED），一舉攻克了上述難題，厚度僅1-2微米（≈頭發(fā)絲的1/50），卻集成了應(yīng)變、壓力、溫度、濕度四大感知功能，甚至能在汗蒸等極端濕滑環(huán)境下牢牢貼合人體，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療級生理信號監(jiān)測。

二、研究亮點(diǎn)

1. 首次通過無縫絲網(wǎng)印刷技術(shù)，在超薄TPU納米纖維墊上集成MXene/PEDOT:PSS傳感陣列，同時實(shí)現(xiàn)應(yīng)變、壓力、溫度、濕度四大維度傳感，且各傳感單元無信號串?dāng)_。

2. 1-2μm厚的多孔結(jié)構(gòu)賦予器件超高透氣性（345.3±2.5 mm·s?1）和透濕性，122°疏水角兼具防水性，濕黏附強(qiáng)度達(dá)0.6 kPa，長期佩戴無皮膚刺激，實(shí)現(xiàn)“電子紋身”般的 conformal 貼合。

3. 應(yīng)變傳感器最大應(yīng)變范圍204.7%， gauge factor（GF）最高達(dá)8.7×10?；壓力傳感器在0-11.5 kPa區(qū)間靈敏度270.0 kPa?1，響應(yīng)/恢復(fù)時間僅78/90 ms；溫度傳感器30-44℃區(qū)間靈敏度-2.1%·℃?1；濕度傳感器在100%RH下電阻變化率達(dá)-99.6%，均優(yōu)于現(xiàn)有主流柔性傳感器。

4. 濕環(huán)境下可穩(wěn)定監(jiān)測心電圖（ECG），手勢識別準(zhǔn)確率100%，能精準(zhǔn)捕捉脈搏波形、肢體運(yùn)動及溫濕度變化，適配健康監(jiān)測、康復(fù)訓(xùn)練、人機(jī)交互等多元場景。

三、研究內(nèi)容

（一）器件設(shè)計(jì)與制備

1. 核心結(jié)構(gòu)：以超薄TPU納米纖維墊為基底，采用MXene/PEDOT:PSS復(fù)合墨水通過絲網(wǎng)印刷構(gòu)建傳感陣列，其中MXene與PEDOT:PSS質(zhì)量比7:3（SMED?:?）時性能最優(yōu)，電極線寬0.9 mm，活性層厚度1.5 μm。

2. 制備工藝：通過電紡技術(shù)制備TPU納米纖維墊（1-2 h電紡時長獲超薄結(jié)構(gòu)），經(jīng)聚多巴胺（PDA）改性提升親水性，再通過絲網(wǎng)印刷/交替噴涂工藝制備各傳感單元，整體工藝具備規(guī)?；瘽摿?。

3. 關(guān)鍵特性：兼具高透明度、拉伸性（50%拉伸無損傷）、環(huán)境穩(wěn)定性（80%RH環(huán)境7天性能無衰減），濕黏附層確保出汗、鹽水浸泡等場景下皮膚貼合度。

（二）多模態(tài)傳感性能

1. 應(yīng)變傳感：分9個應(yīng)變區(qū)間呈現(xiàn)不同GF，0-50%應(yīng)變范圍內(nèi)最大GF=50.8，5000次循環(huán)測試穩(wěn)定性優(yōu)異，響應(yīng)/恢復(fù)時間260/410 ms，基于1D卷積殘差網(wǎng)絡(luò)（RSNet）實(shí)現(xiàn)8種手勢100%識別。

2. 壓力傳感：0-11.5 kPa（S?=270.0 kPa?1）和11.5-38.3 kPa（S?=78.8 kPa?1）雙線性區(qū)間，靈敏度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)紡織基/薄膜基壓力傳感器，可監(jiān)測手指按壓、跑步等動作。

3. 溫濕度傳感：溫度傳感為負(fù)溫度系數(shù)特性，30-80℃電阻變化率-53.5%，無明顯滯后；濕度傳感基于水分子促進(jìn)電子躍遷機(jī)制，43%-100%RH響應(yīng)線性度R2>0.99，響應(yīng)/恢復(fù)時間40.3/27.7 s。

4. 生物電監(jiān)測：皮膚-電極阻抗（SEI）在10 Hz時僅141.8 Ω，遠(yuǎn)低于商用Ag/AgCl電極，干燥/濕潤皮膚均能穩(wěn)定捕捉ECG的PQRST波形，運(yùn)動出汗場景下信號無波動。

（三）應(yīng)用驗(yàn)證

1. 健康監(jiān)測：成功監(jiān)測心電圖、脈搏（含P/T/D波）、心率（60次/分鐘），為心血管健康評估提供數(shù)據(jù)支持。

2. 運(yùn)動感知：適配手指彎曲、手腕屈伸、點(diǎn)頭、跑步等動作監(jiān)測，覆蓋微動作到大幅度運(yùn)動的全場景。

3. 環(huán)境感知：實(shí)時響應(yīng)環(huán)境溫濕度變化，對呼氣等快速濕度波動響應(yīng)靈敏。

四、總結(jié)與展望

該研究通過“超薄納米纖維基底+MXene/PEDOT:PSS復(fù)合傳感+絲網(wǎng)印刷集成”策略，突破了傳統(tǒng)可穿戴器件“功能與舒適性難以兼顧”的瓶頸，成功開發(fā)出兼具高透氣性、生物相容性、多模態(tài)高靈敏傳感的SMED平臺。器件在濕環(huán)境穩(wěn)定性、傳感性能指標(biāo)上全面超越現(xiàn)有技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了健康監(jiān)測、運(yùn)動感知、人機(jī)交互等場景的實(shí)用化驗(yàn)證，為類皮膚電子器件的工程化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)鏈接：https://doi.org/10.1002/smtd.202501064