在人类社会的日常生活中，湿自适应传感装置在水下通信、运动监测、海洋探测、地震预警和海底勘探等领域具有广阔的应用前景。开发用于水陆两栖环境实时监测的柔性传感器，对水下作业的安全、记录游泳者的身体动作甚至身体健康都具有重要意义。在过去二十年中，许多研究都集中于开发软材料、设计结构，以及增加功能以提高传感器的耐磨性、防水性和传感性能。然而，大多数传感器都面临着诸如肿胀、水下结构损伤、以及设备与生物界面的机械不匹配等问题。这些问题会导致信号传输中断或失真、因此很难在水下实现稳定的传感应用。

基于此，武汉纺织大学省部共建纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室刘可帅教授课题组在国际著名材料期刊《Nano Energy》上发表了题目为“Wet-adaptive strain sensor based on hierarchical core-sheath yarns for underwater motion monitoring and energy harvesting”的研究成果。研究者提出了一种湿适应氨纶/graphene@cotton/PU（SGCPY）传感器，同时提供湿不敏感性、加工性、渗透性、柔韧性和防水性能，用于水下应变传感和能量收集。分层芯鞘结构由氨纶纤维核心层、graphene@cotton传感纤维中间层和纺锤结聚氨酯纳米纤维外层组成，具有优异的拉伸性能（内层）、导电性（中间层）和疏水性（外层）。SGCPY传感器具有高的机械性能（约80%），超疏水性能(>130◦)，即使在水中也具有良好的应变敏感性（1.82）和抗疲劳性（12,000次循环），同时SGCPY传感器还能稳定地监测人体运动和进行人机交互，这主要得益于材料优良的物理性能以及其独特的同轴结构。

图1 SGCPY传感器的制备示意图

如图 2a 所示 SGCPY传感器的芯鞘结构由作为核心层的可拉伸氨纶基底、作为中间层的高导电性石墨烯涂层棉纤维、以及作为鞘层的聚氨酯纳米纤维构成，它具有疏水性并可用作电负性外表。

图2 SGCPY传感器的SEM表征

利用分层芯鞘结构设计、多层之间的协同作用以及多种纺织技术，也为SGCPY传感器带来了一定延伸性，同时采用锭结聚氨基甲酸酯纳米纤维设计的独特纳米微结构表面，也增加了 SGCPY 传感器的粗糙度和比表面积，从而提高了疏水性和防水性。

图3 SGCPY传感器的基本性能

可穿戴、透气、防水的 SGCPY 传感器非常适合与人机交互有关的应用，包括水下应用。如图4所示，SGCPY传感器不仅能在干燥和潮湿环境下都可准确捕捉到可重复的 ΔR/R0 曲线，同时也能用作湿适应可穿戴设备和机械手进行人机交互，这也证明了 SGCPY 传感器在水下生理健康监测方面的灵敏度和潜力。

图4 SGCPY传感器的传感性能及应用

此外，SGCPF 传感器还能将水滴的低频和不规则机械能转化为电能，显示出良好的电输出性能，可为商用电池充电和驱动电子时钟。我们设想，SGCPY 传感器可为同时研究水下人机交互、能源供应和软机器人技术提供一种前景广阔的策略。

图5 SGCPF的电气输出性能及应用

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110407