DOI: 10.1021/acsami.2c17498

具有多种传感功能的柔性可穿戴电子设备在各方面均能够模拟人体皮肤，已成为当前的一个热门研究课题。然而，目前昂贵且耗时的集成方法和复杂的解耦过程阻碍了多功能传感器的进一步发展。本文报道了一种通过简单电纺丝技术制备的超柔性离子纤维膜（IFM），该膜具有压力和湿度传感特性。借助不同的电极结构，基于IFM的多功能传感器以不同的传感机制实现压力和湿度检测。电容信号表明，其压力传感具有高灵敏度（0-30kPa时为49.7/kPa）和宽检测范围（0-220kPa）。电阻信号显示其湿度传感在15%-90%RH范围内呈现出高线性。特别是，本研究中对应于压力/湿度的电容/电阻的多模态输出直接解决了准确区分两种刺激的问题。经证明，当同时独立测量时，压力和湿度之间的影响可以忽略不计。此外，本研究还制造了一种用于脉搏、皮肤湿度和呼吸监测的智能手环和面罩，其具有出色的压力/湿度传感性能，这表明基于IFM的多功能柔性传感器在医疗保健领域有着广阔的应用前景。

图1.离子纤维膜的制备和表征。（a）显示多功能电子皮肤的压力/湿度传感功能和多种应用的示意图。（b）IFM的组成和制备过程。（c）沉积金的IFM的扫描电子显微镜细节图。（d）IFM的扫描电子显微镜图像。（e）含未沉积金的IFM的扫描电子显微镜细节图。（f）IFM的EDS元素分布图像。（g）金沉积前后IFM的X射线衍射图。（h）TPU纤维和TPU/ILs纤维的FTIR光谱。（i）平整和弯曲IFMs的照片。

图2.基于IFM的柔性压力传感器的传感机制和传感性能。（a）基于IFM的压力传感器的结构示意图。（b）基于IFM的压力传感器的界面超级电容传感机制示意图。（c）传感器在0-220kPa范围内的相对电容变化曲线和每个范围的灵敏度。（d）周期性加载和卸载1至15kPa时，传感器的相对电容变化曲线。（e）顶部：依次放置在传感器上的橡胶立方体的电容相对变化。底部：分别放置在传感器上的1g和2g橡胶立方体的电容相对变化。（f）45kPa加载压力下的微压力检测。（g）在20kPa下传感器加载和卸载10000次循环的稳定性。插图：初始和10000次循环最终阶段传感器的电容变化曲线；加载/卸载20kPa的条件下传感器的响应和恢复时间。

图3.基于IFM的柔性湿度传感器的传感器结构和传感性能。（a）传感器的湿度滞后特性曲线。（b）分步骤从15%RH变化到90%RH时传感器的电阻变化曲线。（c）基于IFM的湿度传感器的结构示意图。（d）传感器在不同RH下的重复性测试。（e）从40%至80%RH的35次快速循环期间传感器的电阻变化曲线。（f）在吹气和连续吹气两种情况下传感器的电阻变化曲线：（I）所吹的气经过干燥管；（II）所吹的气不经过干燥管。

图4.基于IFM的柔性压力/湿度多功能电子皮肤的传感性能。（a）在不同湿度水平下，a、b电极的相对电容随压力的变化。（b）平整和弯曲状态的c、d电极电阻在RH下的重复性。（c）上图：四种不同状态的示意图：（I）手套接近；（II）手套按压；（III）手指接近；（IV）手指按压。下图：多功能电子皮肤和电极分布的照片。（d）不同状态下的电阻和电容响应变化曲线。

图5.基于IFM的柔性多功能电子皮肤的实际应用。（a,b）志愿者休息和运动后桡动脉脉搏波形的监测。（c）监测志愿者休息时以及运动10分钟和20分钟后的皮肤湿度。（d）监测志愿者在不同强度下的鼻呼吸。（e）监测志愿者不同速率的鼻呼吸。（f）监测志愿者通过鼻子和嘴巴呼吸。