柔性传感器被广泛应用于温度、应变/应力、心电信号（ECG）等的监测，在人体健康和运动监测等方面有非常重要的前景。薄膜传感器——包括离子导电水凝胶的薄膜传感器——能与皮肤共形、无感贴合，界面阻抗小，利于获得高质量的信号监测，使其适用于连续监测和长期佩戴的场景，如智能穿戴设备和医疗监测系统。然而，大多数水凝胶薄膜力学性能较差，表面积大，易失水，低温下易结冰，导致机械性能和传感性能丧失。研究和开发强韧、抗失水、抗冻的薄膜水凝胶传感器，是推动其在柔性可穿戴设备等领域应用的关键。

图1 基于互穿网络设计的复合有机水凝胶

  聚氨酯与水凝胶的模量差异较大，其互穿网络结构可有效避免裂纹尖端的应力集中，呈现裂纹尖端钝化现象（图3a-c）。通过比较有机水凝胶、聚氨酯膜及复合水凝胶的断裂能发现，复合有机水凝胶的断裂能大幅提高，达到10000 J/m²（图3d），与橡胶的断裂能相当。经过1000次重复拉伸（50%应变）后，裂纹的宽度几乎保持不变（图3e），表明互穿网络设计能够有效地抵抗裂纹扩展。

  复合有机水凝胶薄膜传感器具有良好的抗失水性及机电响应鲁棒性。柔软的薄膜能够与人体皮肤紧密共形贴合且同步变形，准确监测人体关节的运动，薄膜具有良好的透气性（1200 g/m²/day），大于人体皮肤通常的排汗速度，利于保持界面干爽，避免湿气累积导致的不适感。

图5 薄膜传感器应用于全天候膝关节运动监测。

  该研究利用静电纺丝纳米网与水凝胶互穿网络结构解决了超薄膜凝胶传感器机械性能差的难题，结合抗冻、抗失水技术，为研究开发透气、超强韧、长期稳定的超薄膜应变传感器提供了新的思路，有望推动超薄膜柔性传感器在人机界面、类人机器人、可穿戴/可植入柔性电子器件方面的应用。

  该项研究以“Breathable Ultra-thin Film Sensors Based on Nanomesh Reinforced Anti-dehydrating Organohydrogels for Motion Monitoring”为题发表在Advanced Functional Materials。文章的第一作者是中山大学材料科学与工程学院2022级硕士研究生朱灿杰，付俊教授和中国散裂中子源杨华博士为共同通讯作者。该工作得到了国家自然基金（22375225）的支持。

  全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202411725