随着人工智能与物联网的快速发展，柔性电子在健康监测、人机交互及智能机器人等方面受到了广泛关注。目前开发的柔性应变传感材料通常情况下具有较为单一的触觉传感特性。发展一种具有良好传感功能、可靠的供电能力及可调控光学特性等多功能集成的交互式柔性传感材料具有重要意义。

  近日，郑州大学申长雨院士、刘春太教授团队代坤教授与中科院北京纳米能源与系统研究所潘曹峰研究员合作在柔性静电纺丝聚合物膜中引入发光材料制备了柔性发光膜，如图1，后在其表面基于碳纳米管（CNT）和MXene协同构筑导电层，通过引入仿生微裂纹结构，大幅地提高了柔性传感材料的应变传感性能；同时将应变传感与光学特性相结合，实现了材料在可视化传感领域的潜在应用；此外，该电子皮肤具有良好的供电能力，在自供能触觉传感方面也展示出良好的应用前景。

图1. 柔性多功能光-电传感材料（SPMSS）的结构设计

图2. 柔性多功能光-电传感材料（SPMSS）的应变传感性能及敏感机制

  如图2，得益于仿生微裂纹结构的构建，柔性多功能光-电传感材料在拉伸中表现出优异的应变传感性能，包括超高的灵敏度（最大灵敏度GF为3.92×10⁷），较快的响应时间（5 ms），超低的应变检测限（0.001%应变）和良好的耐久性（45000次拉伸/回复循环测试）及较宽的应变响应范围（0-65%）。

图3. 柔性多功能光-电传感材料的可调光学特性

  如图3，基于荧光电纺纤维膜的柔性和光学特性，MXene/CNT导电层优异的紫外屏蔽能力以及独特的应变依赖的微裂纹结构，材料在拉伸和回复的过程中表现出快速可逆的力致发光特性。通过荧光光谱定量地研究了材料在不同拉伸过程中的力致发光性能，在荧光强度/传感性能-拉伸应变之间构建了对应关系，为可视化传感的实际应用奠定了基础。

图4. 柔性多功能光-电传感材料的TENG性能

  如图4，由于绝缘的静电纺丝荧光纤维膜具有较强的摩擦电正性和良好柔韧性，MXene/CNT协同导电网络表现出优异的电子传输能力，这使得双电极模式的摩擦纳米发电机（TENG）展示出优异的摩擦电输出性能，包括开路电压（V_OC=540 V）、短路电流（I_SC=42 μA）、短路电荷（Q_SC=317 nC）和较高的能量功率密度（7.42 W/m²），以及良好的充电-供电能力（驱动微型电子设备）。

图5. 柔性多功能光-电传感材料在可视化传感、健康监测和自供电传感中的应用

  如图5，材料在可穿戴领域展示出广泛的应用前景，不仅可以准确地监测人体不同部位的脉搏，还可以从已得的脉搏信号中获取并分析生理参数对人体进行健康监测及评估。此外，电子皮肤通过明显的荧光分布以及同步且准确的弯曲传感行为，可以清晰地分辨出手指的弯曲角度及不同手势，实现其在可视化传感方面的应用。单电极模式的TENG（S-TENG）在0-5 kPa的小压力范围内具有较高的灵敏度（3.443 mV Pa^-1），可以有效收集生物机械能和感知触觉刺激。通过集成多个S-TENG传感单元制备S-TENG传感阵列，成功地将手指触摸的轨迹映射在二维区域，实现其在自供能传感方面的应用。

  这一研究成果表明基于高分子基体的加工及仿生结构的构建可有效提升柔性传感材料的敏感性能。材料实现的应变传感、可视化传感及自供能传感的有效结合为新一代交互式多功能柔性电子的制备其在可穿戴领域的多功能应用提供了新思路。

  相关研究以“Bioinspired Multifunctional Photonic-Electronic Smart Skin for Ultrasensitive Health Monitoring, for Visual and Self-Powered Sensing”为题发表在《Advanced Materials》上。郑州大学为第一作者单位，硕士研究生赵祎为论文第一作者，代坤教授、刘春太教授和中科院北京纳米能源与系统研究所潘曹峰研究员为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金项目、国家自然科学基金-河南联合基金、河南省优秀青年科学基金等项目的资助。

  全文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202102332