随着全球老龄化趋势日益加剧，以及公众对慢性病预警与实时健康监测需求的不断上升，柔性可穿戴传感器在医疗健康领域的重要性日益凸显。相较于刚性电子器件，基于纺织品的柔性电容传感器具有良好的服帖性、透气性和可集成性，能够实现长时间、非侵入式的连续监测。然而，当前主流电容传感器多为三维夹层结构或二维织物结构，其厚重体积和结构刚性限制了其在复杂人体部位的适配性；此外，基于压强感知的原理也难以准确反映人体多变的拉伸信号特征。因此，亟需开发一种结构简单、响应灵敏、应变适应广的一维柔性电容传感器，推动其在精准健康监测中的实际应用。

近日，绍兴文理学院洪剑寒教授团队在《Materials Today Physics》发表题为“Stretchable one-dimensional flexible capacitive sensor with high stability and large strain for human vital signal monitoring prepared by water-bath electrospinning technology”研究成果。该工作通过基于纳米纤维包覆纱线（NFCY）的结构设计，结合水浴静电纺丝技术和双螺旋组装策略，成功构建出具有一体化电极与介电层结构的柔性可穿戴电容传感器（SOFCS），在生物力学与生理信号监测中展现出出色性能。具体实现包括：（i）采用自主开发的水浴静电纺丝技术，在镀银尼龙纱（SPN）表面原位沉积聚丙烯腈（PAN）纳米纤维，构建高致密性、均匀性与多孔性的介电包覆层，成功制备纳米纤维包覆纱（NFCY），为柔性电容传感器提供了稳定可靠的微观结构基础；（ii）以NFCY构建双电极螺旋结构的SOFCS，在3%–70%应变范围和6–44 mm/s拉伸速率下均保持稳定电容响应，展现出优异的应变灵敏性（GF达2.04）和对变形率的强鲁棒性；同时，在5000次循环拉伸中表现出高稳定性和重复性，适用于复杂动态环境下的连续监测；（iii）开发的SOFCS在关节运动监测中实现高分辨率识别，能够精确区分间歇/连续动作状态及不同运动强度；在颈部姿态与呼吸监测中展现出平稳、实时的输出信号，支持长期生理状态追踪；在语音识别中以高保真度区分不同发音与声强模式，具备在语音交互与康复场景中的应用潜力。

此外，该传感器具备结构集成度高、可规模化制备、力学顺应性强等优势，为柔性可穿戴电子器件在健康监测、语音识别与智能纺织品领域的实用化发展提供了有力支撑。

图1：水浴静电纺丝设备示意图以及SOFCS的制备流程示意图与实物图

图2：NFCY的形貌与力学性能

通过构建一维柔性结构并引入纳米纤维介电层，研究团队开发出一种兼具高稳定性与宽应变范围的柔性电容传感器。该传感器以SPN为导电芯材， PAN纳米纤维为介电壳层，如图1所示，研究团队采用改进的多针水浴静电纺丝技术包覆形成核壳结构的NFCY。整个制备工艺通过纱线自旋转与静电纺丝协同作用，使纳米纤维均匀沉积于芯纱表面，形成致密、均一的多孔介电结构，为后续构建电极-介电集成型一维传感器提供了稳定基础。

红、白两种NFCY纱线以双螺旋方式缠绕于TPU弹性纱线上，构建出电极与介电层一体化的SOFCS。该结构实现了良好的机械稳定性和电容响应一致性。如图2所示，SEM图可以看出纳米纤维包覆层厚度约为20 μm，纤维直径主要分布在200–280 nm之间，具备均匀多孔的结构特征，有助于提升介电性能和形变灵敏度。力学测试表明，NFCY较未包覆的SPN纱线具有更高的断裂强度和延展性，增强效果主要源于纤维缠结与包覆层的加固作用，显著提升了传感器在大应变条件下的结构稳定性。

图3 电容式传感器传感原理与测试装置示意图以及不同材料组合以及不同参数搭配对传感性能的影响

为深入探究结构因素对传感性能的影响，研究团队对电极结构、载体直径与电极缠绕密度进行了系统调控实验。如图3所示，结果表明，NFCY+NFCY的双包覆电极结构在电容变化过程中展现出更平滑、无干扰的信号输出曲线，优于传统的SPN+NFCY结构。这主要归因于包覆层的隔离效应，有效降低了寄生电容的干扰。同时，载体直径越大，单位应变下电极间距的变化幅度也越大，从而提升电容变化率；而电极缠绕密度的调控则影响了电极之间的初始间距和随应变变化的协同性，缠绕密度为18圈/cm时表现出最佳的应变响应能力与灵敏度平衡。

图4 SOFCS的传感性能以及与其他一维柔性电容式应变传感器性能的比较

构建于最优参数条件下的SOFCS传感器在电学性能方面表现尤为突出。如图4所示，在3%至70%的宽应变范围内，传感器可持续输出稳定、可重复的电容响应曲线。在30%应变条件下进行5000次拉伸-释放循环后，传感器信号未见明显衰减，核心结构保持完整，展现出优异的耐疲劳性。此外，在1%应变下亦能保持良好的响应线性，最小响应时间为50 ms，恢复时间约为80 ms。变形速率变化（6–44 mm/s）过程中传感器响应幅度保持稳定，说明其输出信号主要受应变幅值控制，而非动态加载速率影响。

图5 SOFCS在运动检测与语言响应识别中的应用

如图5所示，在实际应用方面，该传感器被集成至可穿戴织物中，应用于膝关节、颈部、胸部与喉部等人体部位的动态信号监测。在膝部测试中，无论是以绑缚方式还是缝合至袜子中，传感器均可准确捕捉间歇弯曲、持续弯曲及跑步过程中的动作频率与强度变化，响应信号清晰且重复性良好。用于颈部监测时，传感器能实时区分不同弯曲角度并输出稳定波形，适应性良好。在胸部区域进行的呼吸监测实验中，传感器清晰地反映了吸气与呼气阶段所对应的周期性电容变化，验证了其在微小体积变化检测中的高分辨能力。在发声测试中，SOFCS可有效区分不同语音单元（如字母“ABCDE”或词语“Banana”）所对应的喉部震动模式，且声强变化会引起波形幅度变化，表明其在语音识别与语言康复场景中具备潜在应用价值。

综上所述，本研究开发的SOFCS柔性电容传感器兼具高灵敏度、宽应变响应区间、出色的动态响应性与结构稳定性。其核心优势在于结构集成度高、制备工艺简便、可低成本大规模复制，并在多种实际穿戴应用场景中表现出一致、可靠的性能输出。该研究为柔性可穿戴健康监测设备的发展提供了一种切实可行且具备工程推广潜力的材料与结构设计方案。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2025.101778

洪剑寒：教授，硕导，绍兴文理学院纺织科学与工程学院副院长。主要从事智能型、功能性纺织材料及产品的开发研究，先后主持江苏省自然科学基金、中国博士后科学基金、浙江省公益研究计划项目、浙江省高等教育教学改革项目等省部级以上教学、科研项目10余项；发表论文80余篇；申请发明专利20件，已授权7件；获中国纺织工业联合会科技进步二等奖3项。入选江苏省双创人才科技副总计划，担任中国纺织工程学会针织专业委员会副主任、毛纺织专业委员会委员，浙江省纺织工程学会针织专业委员会委员，绍兴市纺织行业专家智库成员；担任《纺织学报》《丝绸》青年编委，Analytical Chemistry、IEEE-ASME Transactions on Mechatronics、ACS Applied Nano Materials、ACS Applied Materials & Interfaces、Sensors and Actuators A-Physical、IEEE Sensors Journal、Textile Research Journal、Fibers and Polymers 等 SCI 期刊的同行评审专家。