在体外循环系统（如人工心脏）的临床生理监测中，实时掌握温度和应变（血压）是维持生理稳态的核心要求。然而，现有的柔性集成双功能传感器往往面临严重的信号串扰问题，例如温度单元受热膨胀引起的变形，以及应变单元电阻产生的焦耳热会相互干扰。

  针对这一核心临床需求和技术瓶颈，济南大学王鹏博士与复旦大学李卓教授联合团队创新性地开发了一种三层架构的解耦双功能传感器，通过物理屏障与机制分离，成功抑制了参数间和空间域的信号串扰，为临床生理监测提供了全新的高精度方案。

  2026年6月6日，相关研究成果以“A decoupled flexible temperature-strain dual function sensor for extracorporeal circulatory system monitoring”为题发表在材料领域顶级期刊Advanced Functional Materials上。

  本研究摒弃了易受干扰的传统平面集成设计，提出了一种空间独立的三层垂直堆叠架构。该传感器自下而上包含：底层为石墨烯/PEDOT:PSS凝胶温度传感层，其利用塞贝克效应与三维多孔结构，通过产生热电电压来实现独立且稳定的温度监测；中层为热塑性聚氨酯（TPU）纳米纤维隔热层，作为关键的物理屏障，它能有效阻断应变单元产生的焦耳热，并凭借极低的热膨胀系数抵抗温度波动引发的形变干扰；顶层为银/石墨烯/PEDOT:PSS应变响应层，专门通过拉伸诱导微裂纹演化机制来调节电阻，实现高灵敏度的应变精确追踪。

图 1：温度-应变双功能传感器的设计、结构与解耦机制。a 图：双功能传感器的整体设计及其在体外循环系统监测中的应用场景，模拟系统的关键结构参数；b 图：基于塞贝克效应的温度传感器和基于裂纹电阻调制机制的应变传感器的微观工作原理；c 图：传感器在不同应变和温度条件下的解耦性能，温度变化仅影响热电层的电压输出，而机械应变仅作用于薄膜层的电阻输出，两者在空间上实现了相互独立。

图 2：双功能传感器的制备、组成表征与力学展示。a 图：石墨烯复合导电水凝胶与复合导电薄膜通过层叠组装制备双功能传感器的完整工艺流程；b 图：SEM与EDS元素映射图显示，石墨烯均匀分散在凝胶网络中，形成了孔径约5微米、相互贯通的三维多孔结构；c-e 图：拉曼光谱、FT-IR光谱和XPS能谱证实石墨烯、PEDOT:PSS及离子液体等各组分的成功复合与化学结构稳定性；f 图：传感器在拉伸、扭曲和弯曲状态下，依然能够保持优异的柔韧性与结构完整性。

图 3：温度传感单位的工作原理、性能表征与调控。a-c 图：通过测试电路与载流子分布示意图，阐明了温度梯度驱动下“电子-离子”双载流子协同传输产生热电电压的物理机制；d-e 图：传感器在不同温差下稳定的I-V特性，热电电压与温差呈高度线性关系，塞贝克系数高达0.002 V/℃；f 图：器件对温度变化展现出快速的动态响应能力，能够满足体外循环系统的监测；g-i 图：详细分析了石墨烯含量、离子液体浓度及退火时间对热电性能的优化调控规律；j-l 图：该温度单元在宽温区和长期循环测试中具有极佳的稳定性。

图 4：应变传感器的传感性能与动态形貌演变。a-b 图：SEM图像与机械应力仿真结果揭示了导电薄膜在拉伸状态下微裂纹的梯度演变过程，以及局部应力集中如何驱动导电网络的断裂；c-d 图：器件在不同应变区间表现出超高的灵敏度，低应变区GF值达3.13×10?，高应变区更跃升至2.87×10?；e -h 图：在不同拉伸速率、阶梯应变加载下，传感器对微小应变响应迅速，且信号输出极具规律性与重复性；i 图：历经10000次循环拉伸疲劳测试后，基础电阻恢复率超过99%，证实了TPU基底与导电填料协同作用赋予了网络优异的抗疲劳恢复能力。

图 5：双功能传感器的多物理场信号解耦性能。a 图：阐释了三层垂直堆叠架构的解耦原理，TPU纳米隔热纤维有效阻断了焦耳热，实现了热机交叉干扰的物理屏蔽；b 图：展示了在动态监测下，温度、热电电压与电阻变化的同步独立输出过程；c-h 图：在0-30%的不同拉伸应变下，热电电压不受应变影响，同时在0.8-18.8℃不同温差下，应变产生的电阻信号也保持高度独立，且固定应变下的I-V曲线随温度线性变化。

图 6：在体外循环模拟系统中的应用验证。a-b 图：搭建了包含血泵、电磁阀与数据采集模块的体外循环模拟与控制系统硬件架构；c-d 图：记录了血泵在不同转速下的电机温度变化曲线及扬程-流量关系，为热机耦合场景提供了标准化的测试平台；e 图：模拟计算了人体在心力衰竭、睡眠、休息、轻度与剧烈运动等不同状态下的血流参数及对应的溶血与血栓风险指数；f-g 图：将传感器共形贴附于体外循环管路外壁，成功实现了对上述多种生理状态下系统血压（由应变引起的电阻变化反映）与温度波动的非接触式、高保真同步追踪，验证了其在临床连续监测中的巨大潜力。

  综上所述，该工作通过双单元物理隔离与精确的电气特性匹配策略，成功突破了柔性电子领域长期存在的温度-应变信号串扰瓶颈。该传感器集高灵敏度、多物理场响应和高效解耦能力于一体，并在模拟人工心脏循环系统中展现出巨大的临床应用潜力。未来，通过优化防腐涂层与结构韧性，该技术有望广泛应用于可穿戴健康监测设备与心血管介入医疗器械中。

  原文信息

  Q. Han, X. Liu, X. Liu, et al. “A decoupled flexible temperature-strain dual function sensor for extracorporeal circulatory system monitoring.”  (2026).

  https://doi.org/10.1002/adfm.76388.

作者介绍

王鹏：济南大学机械工程学院硕士生导师，校聘青年英才岗，研究方向为柔性传感器，以第一作者/通讯作者发表论文51篇 (包括31篇一区Top期刊，5篇ESI前1%高被引文章），包括Advanced Functional Materials、Nano Micro Letters、InfoMat、Advanced Fiber Materials等高水平期刊；累计撰写、申请发明专利19项，其中9项已授权；主持中国博士后面上项目、山东省青年基金、技术开发项目等4项；担任Exploration期刊青年编委；中国微米纳米学会高级会员；受邀担任国际SCI检索期刊Advanced Functional Materials、Nano Micro Letters、Nano Energy、Chemical Engineering Journal等的审稿人；2025年获得济南市自然科学技术成果一等奖，山东省机械工业科学技术奖三等奖，天津市优秀博士论文；连续两年获得2021年、2022年博士研究生国家奖学金，2022年获得天津市创新奖学金，2023年获得河北省优秀毕业生，2018年获得天津市王克昌文化科技奖学金。个人主页：https://faculty.ujn.edu.cn/wangpeng1/zh_CN/index/149227/list.

李卓：复旦大学材料科学系青年研究员、博士生导师，研究兴趣为高分子复合材料在电子封装和柔性电子领域的应用。2007年本科毕业于同济大学，2009年和2014年分别在美国弗吉尼亚理工大学和佐治亚理工学院获得硕士和博士学位。毕业后先后在美国塞拉尼斯公司和中石油休斯敦技术研究中心开展高分子材料研发工作，并于2016年9月加入复旦大学。回国后先后入选国家海外高层次引进人才青年项目、上海市浦江人才计划、上海市青年启明星科技计划等多个人才项目。在Nat. Commun., Adv. Funct. Mater.等期刊共发表论文40余篇，引用2000余次。IEEE ECTC和IEEE ICEPT 两个国际会议的技术委员会委员，以及IEEE 女性工程师协会上海分会的副主席，并获得2020年度IEEE 电子封装协会杰出青年工程师奖。