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  近日，湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院劉松教授團(tuán)隊(duì)在《Advanced Functional Materials》上發(fā)表了一項(xiàng)創(chuàng)新研究，他們開發(fā)出一種基于MXene和熱致變色材料的雙功能柔性傳感器，能夠通過電信號(hào)和視覺顏色變化同時(shí)、無(wú)干擾地檢測(cè)壓力與溫度。這項(xiàng)技術(shù)解決了長(zhǎng)期以來困擾多功能傳感器的信號(hào)耦合問題，為實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的健康監(jiān)測(cè)提供了全新解決方案。

  柔性壓力-溫度雙功能傳感器在健康監(jiān)測(cè)和人機(jī)交互領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，然而其發(fā)展一直受限于信號(hào)之間的相互干擾。本研究通過一種新型異質(zhì)傳感架構(gòu)，將壓阻式MXene/纖維素納米纖維/殼聚糖復(fù)合膜與熱致變色PDMS層相結(jié)合，成功實(shí)現(xiàn)了壓力與溫度的解耦檢測(cè)。該傳感器不僅具備高靈敏度、快速響應(yīng)和超低檢測(cè)限，還能通過顏色變化直觀反映溫度變化，在脈搏波形監(jiān)測(cè)、呼吸狀態(tài)識(shí)別、甚至骨折愈合過程追蹤等方面展現(xiàn)出巨大潛力。

01 研究背景：雙功能傳感器的挑戰(zhàn)與機(jī)遇

  隨著柔性電子技術(shù)的快速發(fā)展，模仿人類皮膚感知能力的多功能傳感器成為研究熱點(diǎn)。人類皮膚能夠同時(shí)感知壓力、溫度、濕度等多種刺激，而現(xiàn)有的柔性傳感器大多只能實(shí)現(xiàn)單一功能。開發(fā)能夠同時(shí)檢測(cè)多種信號(hào)的雙功能傳感器，尤其是壓力-溫度雙功能傳感器，對(duì)于健康監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互和軟體機(jī)器人等領(lǐng)域具有重要意義。目前制備雙功能傳感器主要有兩種策略：一種是集成獨(dú)立的傳感單元，分別測(cè)量壓力和溫度，但這種方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高；另一種是使用單一傳感器實(shí)現(xiàn)雙重檢測(cè)，但需要復(fù)雜的信號(hào)解耦設(shè)計(jì)。

  信號(hào)干擾是這兩種策略面臨的核心挑戰(zhàn)——溫度變化會(huì)影響壓力信號(hào)，反之亦然。為解決這一問題，研究團(tuán)隊(duì)從變色龍皮膚中獲得靈感，將視覺傳感機(jī)制與電學(xué)傳感機(jī)制相結(jié)合，提出了一種異質(zhì)傳感架構(gòu)，使壓力與溫度信號(hào)能夠通過不同物理輸出（電流& 顏色）同時(shí)獲取，從根本上避免了信號(hào)干擾。

02 創(chuàng)新設(shè)計(jì)：異質(zhì)傳感架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

  研究團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)核心在于將兩種不同的傳感機(jī)制集成在單一器件中（圖1）。壓力傳感層采用MXene/纖維素納米纖維/殼聚糖復(fù)合膜，基于壓阻效應(yīng)工作。當(dāng)受到壓力時(shí)，膜內(nèi)導(dǎo)電通路增加，電流相應(yīng)增大；壓力釋放后，膜恢復(fù)原狀，電流減小，從而實(shí)現(xiàn)壓力檢測(cè)。溫度傳感層則由熱致變色顆粒與PDMS混合制成，其顏色會(huì)隨溫度變化而發(fā)生可逆改變。當(dāng)溫度升高時(shí)，薄膜從紅色變?yōu)辄S色最終變?yōu)榫G色；溫度降低時(shí)，顏色逆向變化。

圖1：壓力-溫度雙功能傳感器的結(jié)構(gòu)及傳感原理

  這種設(shè)計(jì)的巧妙之處在于：壓力通過電信號(hào)檢測(cè)，溫度通過視覺信號(hào)檢測(cè)，兩種信號(hào)物理上完全獨(dú)立，從根本上消除了相互干擾。

03 材料創(chuàng)新：MXene復(fù)合膜的優(yōu)化與強(qiáng)化

  MXene作為一種新興的二維材料，具有高導(dǎo)電性和親水性，但其機(jī)械性能較差，易開裂剝落。研究團(tuán)隊(duì)通過引入纖維素納米纖維和殼聚糖，顯著改善了MXene的機(jī)械性能。材料間的協(xié)同作用是關(guān)鍵突破點(diǎn)：纖維素納米纖維作為一維材料，能夠促進(jìn)二維MXene納米片的平面取向，形成“磚-砂漿”結(jié)構(gòu)；而殼聚糖則通過氫鍵和靜電作用，進(jìn)一步增強(qiáng)界面相互作用。

  實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，最優(yōu)配比的MCC復(fù)合膜（MXene:CNF:CS= 50:50:1 wt%）拉伸強(qiáng)度達(dá)到42.38 MPa，是純MXene膜的4.35倍；韌性達(dá)到1.61 MJ m?3，是純MXene膜的10.73倍。同時(shí)，復(fù)合膜的電導(dǎo)率保持361 S cm?1，且在空氣中放置10天后，電導(dǎo)率下降幅度小于純MXene膜，顯示出更好的抗氧化穩(wěn)定性。

04 卓越性能：靈敏度與穩(wěn)定性的完美平衡

  在壓力傳感方面，MCC薄膜表現(xiàn)出色：靈敏度高達(dá)35.7 kPa?1（0-2.4 kPa范圍內(nèi)），響應(yīng)時(shí)間僅0.25秒，恢復(fù)時(shí)間0.2秒，檢測(cè)極限低至6.5 Pa。這意味著它能夠檢測(cè)到微小的壓力變化，如脈搏跳動(dòng)、面部肌肉微動(dòng)等。更令人印象深刻的是其卓越的穩(wěn)定性：在5 kPa壓力下進(jìn)行8000秒（約4400次）壓縮-釋放循環(huán)測(cè)試后，電流信號(hào)仍保持穩(wěn)定，無(wú)明顯波動(dòng)或衰減。

  溫度傳感方面，140微米厚、PDMS與熱致變色顆粒質(zhì)量比3:1的薄膜表現(xiàn)出最佳性能。當(dāng)溫度從25°C升至60°C時(shí)，薄膜顏色從紅色經(jīng)黃色變?yōu)榫G色，其中綠色分量變化最為顯著，達(dá)到室溫下的8.67倍。

05 實(shí)際應(yīng)用：從醫(yī)療監(jiān)測(cè)到人機(jī)交互

  研究團(tuán)隊(duì)通過一系列實(shí)驗(yàn)展示了該傳感器的廣泛應(yīng)用前景。在醫(yī)療監(jiān)測(cè)方面，傳感器能夠準(zhǔn)確檢測(cè)腕部脈搏波形（圖2），單個(gè)脈搏周期中可清晰識(shí)別沖擊波、潮波和舒張波三個(gè)特征波形，為心血管疾病診斷提供了潛在工具。在骨折愈合監(jiān)測(cè)這一創(chuàng)新應(yīng)用中，研究人員將傳感器固定在小鼠骨折部位，通過檢測(cè)小鼠運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電流信號(hào)變化，成功追蹤了骨折愈合過程。結(jié)果顯示，電流變化值與愈合周數(shù)呈高度線性關(guān)系（R2 = 0.98），與Micro-CT成像結(jié)果一致，為骨折愈合提供了一種無(wú)創(chuàng)、便攜的監(jiān)測(cè)方法。在呼吸監(jiān)測(cè)方面，將傳感器置于口罩內(nèi)，可在吸氣時(shí)顯示紅色（約22.3°C），呼氣時(shí)變?yōu)辄S綠色（約28.4-30.3°C），同時(shí)電流信號(hào)也隨呼吸變化，能夠檢測(cè)到持續(xù)時(shí)間不同的屏氣周期，在睡眠呼吸暫停綜合征識(shí)別方面具有潛力。在人機(jī)交互領(lǐng)域，研究團(tuán)隊(duì)還制備了2×2傳感器陣列，能夠同時(shí)檢測(cè)壓力和溫度的空間分布。當(dāng)手指按壓時(shí)，接觸區(qū)域顏色從紅變綠，且不同區(qū)域呈現(xiàn)不同的電流響應(yīng)，展示了在智能假肢和可穿戴皮膚電子設(shè)備中的應(yīng)用前景。

圖2：傳感器在脈搏檢測(cè)、表情識(shí)別和骨折愈合監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

  這項(xiàng)研究通過巧妙的異質(zhì)傳感設(shè)計(jì)，成功解決了雙功能傳感器中的信號(hào)干擾難題。MXene-熱致變色混合薄膜不僅制備簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊，而且具備優(yōu)異的傳感性能和廣泛的應(yīng)用潛力。展望未來，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃開發(fā)可生物降解或自愈合版本用于植入式設(shè)備，集成無(wú)線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)連續(xù)健康監(jiān)測(cè)，并通過臨床驗(yàn)證推動(dòng)其在睡眠障礙診斷和骨科康復(fù)等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。這項(xiàng)技術(shù)有望加速多功能傳感器從實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新向個(gè)性化醫(yī)療解決方案的轉(zhuǎn)化，為下一代可穿戴電子設(shè)備奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

  論文標(biāo)題： MXene‐Thermochromic Hybrid Films for Interference‐Free Dual‐Mode Sensing in Wearable Healthcare

  原文鏈接： https://doi.org/10.1002/adfm.202522165