近年来，兼具力敏传感能力和纤维形貌的压阻纤维在可穿戴传感器、电子皮肤和智能机器人等领域引起了广泛的研究和关注。与传统的薄膜状传感器相比，压阻纤维虽具有高柔性、质地轻、可编织和可集成等特点而表现出更多的可穿戴优势；但其尺寸较薄膜材料更小，使得压阻传感纤维往往具有比压阻薄膜更低的压缩灵敏度。为此，大量研究工作通过在纤维表面引入微褶皱结构，并利用多根纤维相互搭接的方式来实现灵敏度的调控。然而，受限于纤维一维的结构，目前构筑微结构的方法常采用对纤维“预拉伸-涂覆导电层-拉伸回复”的工艺流程。该方法不仅不利于微结构的大批量制备，而且所得微结构通常属于低密度、各向异性，导致对压阻纤维灵敏度的提升十分有限。此外，该工艺也常导致外部导电层和中心纤维之间的界面作用较弱。因此，如何大批量地开发同时具有高密度各向同性的褶皱结构和坚韧界面的高灵敏度压阻纤维仍然充满挑战。

  生活中我们经常会有这样的经验，手指长时间地洗浴或游泳后很容易起皱，出现皱纹（pruney fingers）。这是因为手指皮肤下的血管在水中发生收缩，进而引起指尖体积缩小；缩小的血管与表皮出现模量失配后，引起表皮形成脊形褶皱。有趣的是，起皱后手指可以帮助我们更好地抓住潮湿或浸没在水中的物体，就好像雨中的轮胎表面的纹路可以帮助排除路面的水分，从而实现在下雨天拥有很好的抓地力。

  受上述有趣的现象和其特殊的形成机制启发，华南理工大学刘岚教授课题组开发了一种由聚氨酯（TPU）纤维“核”结构和聚吡咯 (PPy)褶皱导电“壳”结构组成的新型核壳纤维“pruney fibers”。与血管收缩和表皮褶皱的形成非常相似，表面PPy各向同性褶皱的产生来源于TPU分子链的收缩和吡咯单体的同步原位聚合。而且，由于在该过程中PPy的生长是沿着TPU分子链原位进行并相互缠结，因此该方法获得的PPy@TPU核壳界面具有很强的相互作用。而且，通过改变氧化剂的浓度可实现对各向同性PPy褶皱的波长（1.2-10.2μm）的精准调控。进一步，将不同的褶皱纤维进行搭接测试压阻性能。研究表明，具有 6 μm 褶皱结构的纤维具有高达0.15 kPa^-1的高压缩灵敏度、47 ms的快速响应和高稳定性。最后，制备的压阻纤维被成功地应用于可穿戴运动检测和人机交互以控制电脑游戏，展示了它们在未来生物和医疗保健领域的潜力。

图1 (a)表面皱褶结构的手指的数码照片。(b)手指表面皱褶形成过程示意图。(c, d) 表面褶皱纤维形成示意图。(e) PPy@TPU 褶皱纤维整体制备工艺示意图。

图2 (a) TPU纤维、溶胀TPU纤维和PPy@TPU褶皱纤维的数码照片。(b, c) PPy@TPU褶皱纤维的C 1s (b)和N 1s (c)XPS高分辨率光谱。(d) PPy@TPU褶皱纤维的表面SEM图像。(e, f) PPy@TPU pruney 纤维横截面的SEM图像。(g)不同浓度APS制备的PPy@TPU褶皱纤维表面SEM图：(Ⅰ)2 mmol/L，(Ⅱ)5 mmol/L，(Ⅲ)10 mmol/L，(Ⅳ)20 mmol/ L。(h) 基于5 mmol/L的APS浓度的PPy@TPU 褶皱纤维的3D 形态。(i)不同浓度APS 产生的表面褶皱的波长 (λ)。

图3 (a)基于不同APS浓度的纯TPU纤维和制备的PPy@TPU 褶皱纤维的机械性能。(b)不同浓度APS制备的PPy@TPU 褶皱纤维的表面电阻。(c)不同PPy@TPU 褶皱纤维随应变的电阻变化；插图是前75%形变下的电阻放大图。(d) PPy@TPU 褶皱纤维表面在100%应变下的SEM图，显示出沿应变方向的高取向和孤立的裂纹结构。(e, f) 裂纹的放大SEM图，证明了核壳间的坚固界面。(g)使用两个褶皱纤维组装压阻纤维的示意图。(h) 不同压阻纤维相对电阻随压力的变化，通过在不同 APS 浓度下反应获得。(i)压阻传感机制的示意图。(j, k) 压阻纤维的SEM图显示表面褶皱的接触情况。(l)灵敏度与报道的压阻纤维的压缩灵敏度对比。

  该工作以《Pruney fingers-inspired highly stretchable and sensitive piezoresistive fibers with isotropic wrinkles and robust interfaces》为题发表在《Chemical Engineering Journal》上，第一作者为华南理工大学陈松博士，通讯作者为华南理工大学刘岚教授。本研究得到了广州市科技计划重点项目和国家自然科学基金等项目的资助。

  论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721045812