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  隨著呼吸系統(tǒng)疾病長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與個(gè)性化診療需求的不斷增長(zhǎng)，無(wú)創(chuàng)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)呼吸參數(shù)逐漸成為柔性可穿戴電子領(lǐng)域的重要研究方向。在動(dòng)態(tài)呼吸過(guò)程的監(jiān)測(cè)中，通過(guò)捕捉呼出氣流的濕度與動(dòng)力學(xué)特征，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性的生理評(píng)估并對(duì)異常呼吸狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控預(yù)警（圖1a-1b）。然而，現(xiàn)有柔性呼吸監(jiān)測(cè)裝置一般只能監(jiān)測(cè)單一濕度或應(yīng)變（壓力）信號(hào)，難以對(duì)呼吸過(guò)程中的多源生理變量進(jìn)行有效區(qū)分。此外，傳感材料在長(zhǎng)期工作狀態(tài)下易受周期性氣流沖擊與濕度冷凝等外部環(huán)境影響，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和長(zhǎng)期響應(yīng)可靠性亦面臨挑戰(zhàn)。

  針對(duì)這一問(wèn)題，深圳技術(shù)大學(xué)的史濟(jì)東副教授等人開(kāi)發(fā)了一種基于石墨烯-納米纖維素復(fù)合薄膜的應(yīng)變/濕度雙模傳感器（圖1b）。由于石墨烯納米片在應(yīng)變下的層片滑移以及納米纖維素的吸濕特性，這種復(fù)合薄膜具有優(yōu)異的應(yīng)變傳感（0%-20%應(yīng)變范圍內(nèi)GF=380，圖1c）和濕度傳感（5%-90%相對(duì)濕度范圍內(nèi) 0.58 RH^-1，圖1d）性能，以及獨(dú)特的濕度觸發(fā)自修復(fù)特性（圖1e）。

圖1. (a) 呼出氣體中水汽產(chǎn)生示意圖。(b) 呼吸過(guò)程中應(yīng)變產(chǎn)生示意圖。(c) 傳感器（初始電阻：4.40kΩ）在施加1%至10%應(yīng)變時(shí)的機(jī)電響應(yīng)。(d) 不同初始薄膜電阻的石墨烯-納米纖維素傳感器的濕度傳感性能比較。(e) 石墨烯-納米纖維素薄膜中的3微米寬的裂紋（左）與在水滴浸泡5分鐘后（右）的形貌表征。

  基于傳感器對(duì)應(yīng)變與濕度的雙模響應(yīng)，在呼吸監(jiān)測(cè)中（圖2a），該裝置可同時(shí)獲取呼吸波形和呼出氣體的水合狀態(tài)，從而有助于進(jìn)行人體的系統(tǒng)生理評(píng)估。此外，傳感器也可以檢測(cè)脈搏、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)等人體信號(hào)。另一方面，該裝置在環(huán)境檢測(cè)與智能交互設(shè)備的開(kāi)發(fā)方面（圖2b）也顯示出優(yōu)異的性能。

圖2. (a) 傳感器應(yīng)用于呼吸監(jiān)測(cè)（上）與表皮生理檢測(cè)（下）。(b) 傳感器對(duì)植物蒸騰作用的監(jiān)測(cè)（上）與非接觸智能交互（下）。

  本工作提出了一種兼具應(yīng)變與濕度響應(yīng)的柔性傳感體系，結(jié)合高靈敏度傳感性能與濕度誘導(dǎo)的自愈合功能，突破了傳統(tǒng)傳感器在信號(hào)解耦與長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面的技術(shù)瓶頸；通過(guò)材料創(chuàng)新與功能集成，實(shí)現(xiàn)了更加系統(tǒng)的呼吸監(jiān)測(cè)與廣泛的可穿戴人體檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)與人機(jī)交互功能，在智慧醫(yī)療與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開(kāi)發(fā)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。

  該工作以“Self-healable graphene-cellulose nanofibril composite with strain/humidity responsivity for wearable respiratory monitoring”發(fā)表于國(guó)際知名期刊《Carbon》。文章第一作者為深圳技術(shù)大學(xué)工程物理學(xué)院2024級(jí)研究生盧思祁，通訊作者為深圳技術(shù)大學(xué)工程物理學(xué)院的史濟(jì)東副教授。深圳技術(shù)大學(xué)工程物理學(xué)院為論文的第一單位。本工作也得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金等項(xiàng)目的支持。華南理工大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院的方志強(qiáng)副研究員，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系的趙玲玉副研究員，深圳技術(shù)大學(xué)工程物理學(xué)院的徐芳副教授對(duì)本工作也做出了貢獻(xiàn)。

  文章信息：Siqi Lu, Zhiqiang Fang, Mingxuan Lei, Shiyu Liu, Xingyi Li, Yizheng Liu, Lingyu Zhao, Zhaorui Liu, Fang Xu, Jidong Shi* Carbon 2025, 242, 120473.

  文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622325004890