商用可穿戴传感器通常需要经过电子封装，具有良好的抗干扰稳定性，然而，封装使其不透气，作为人体传感器使用时，会影响人体和外界的气体交换，损害了人体穿戴的舒适性。此外，人体出汗后无法排出，会引起皮肤炎症和其他皮肤疾病。上述弊端，导致现有商用传感器无法长期接触人体佩戴。针对以上问题，西安工程大学樊威教授团队及其合作者采用航天飞行器高性能纤维结构件中常用的三向正交织物所用的3D织造方式，将具有不同吸湿性能的绝缘纱线对PVDF压电纱线和导电纱线进行封装，开发了一种免电子封装且具有反重力单向液体输送功能的3D结构全纤维自供电应变传感器。

  该工作首先通过共轭静电纺丝和热牵伸工艺，制备出强度高达313.3 MPa的PVDF压电纳米纤维纱线（满足3D织造的要求），随后采用3D纺织技术，将PVDF压电纱线、导电纱线和不同吸湿性能的绝缘纱线按照图1所示的结构进行分布，织造成3D压电织物(3DPF)传感器。在已报道的柔性压电传感器中，3DPF的抗拉强度最高，达到46.0 MPa。此外，构建的3D织物从底层到表层的纱线具有梯度吸湿效应，Z向纱线具有超强的芯吸效应，使得3DPF具有反重力单向液体输送的功能。人体运动出汗后，汗液可以在4秒内从靠近皮肤侧的内层反重力运输到外层，为用户提供了舒适干燥的佩戴环境。更重要的是，人体正常出汗后，不但不会降低3DPF的压电输出性能，反而会增强其压电性能。此外，3DPF的耐用性和舒适性与商用棉T恤相似的级别，可满足人体日常穿着的要求。此工作采用常规不导电商用纱线对导电和压电纱线进行封装的策略为开发其他类型的可呼吸的柔性可穿戴电子设备提供了一种新的设计思路。目前，该工作以“Sweat permeable and ultrahigh strength 3D PVDF piezoelectric nanoyarn fabric strain sensor”为题发表于《Nature Communications》。

图1. 3DPF的制备与结构示意图

图2. 热牵伸前后PVDF纳米纱线的形貌和性能

 图4. (a)等距视角和(b)主视角下3DPF的反重力单向液体输送情况模拟图

图5. 3DPF的压电性能

图6. 3DPF的耐用性和舒适性

  3DPF具有良好的可穿戴性和出汗增强的电输出性能，适合作为自供电开关长期佩戴。因此，可将3DPF设计为具有自供电触发功能的开关。3DPF作为床单使用，具有病床呼叫的功能；而单向输水功能保持皮肤和床单表面干燥，特别是尿失禁病人使用可以防止褥疮。3DPF也是在儿童腰带上创建隐藏开关的理想组件(图7d)，因为你外观和正常织物一样。走失儿童通过按压腰带触发报警，将GPS定位信号发送至家长和警察，实现及时干预和救援。

图7. 3DPF的应用

  原文链接：Wei Fan* et al. Sweat permeable and ultrahigh strength 3D PVDF piezoelectric nanoyarn fabric strain sensor, Nature Communications, 2024, 15, 3509.

  https://doi.org/10.1038/s41467-024-47810-7