具有防水应变传感功能及超强伸缩性的摩擦电能量收集功能的多功能电子皮肤

《Nano Energy》：Multifunctional electronic skin with waterproof strain sensing and ultra-stretchable triboelectric energy harvesting

可拉伸电子皮肤集成应变传感器与自供电摩擦纳米发电机，采用MXene和碳纳米管构建高灵敏度（最大569.23）防水传感器，通过静电纺丝和喷涂工艺实现耐5,000次循环的宽应变范围（0-100%）传感，同时TENG在80%拉伸下仍保持稳定输出，适用于健康监测、加密通信等场景。

　　本文探讨了一种创新的柔性电子皮肤设计，该设计结合了高灵敏度的应变传感器和可拉伸的摩擦纳米发电机（TENG）。这种多功能系统在可穿戴设备领域具有广阔的应用前景，尤其是在健康监测、加密信息传输和物体识别等方面。研究人员通过喷雾、静电纺丝和真空过滤等简单且可扩展的制造方法，实现了这一集成系统的构建。这种技术不仅提高了设备的性能，还显著增强了其稳定性和耐用性。

在现代科技迅速发展的背景下，可穿戴设备正逐渐成为人们日常生活和医疗健康领域的重要组成部分。随着人们对个性化健康管理和智能交互需求的不断增长，传统依赖外部电源的可穿戴设备已难以满足这些新兴应用的要求。因此，开发能够自我供电并具备多种功能的电子皮肤成为了一个迫切的课题。电子皮肤作为智能可穿戴技术的关键组件，需要具备高灵敏度、宽响应范围、优异的水稳定性和长期耐用性等特性，同时还需要在制造过程中保持成本低和可扩展性。

本文提出了一种新型电子皮肤系统，其核心在于将高性能的应变传感器与可拉伸的TENG相结合。应变传感器由羧基化碳纳米管（CNTs-COOH）、氟化烷基硅烷修饰的Ti?C?Tx（FAS-MXene）和柔性聚二甲基硅氧烷（PDMS）组成。这种结构不仅提供了高导电性，还通过独特的微裂纹网络设计，使得传感器能够在广泛的应变范围内保持稳定的性能。此外，FAS修饰显著提高了MXene在水环境中的稳定性，从而确保了传感器的防水性能。经过5000次循环测试，传感器在50%应变下仍能保持出色的耐用性，这为实际应用提供了坚实的保障。

TENG部分则采用了聚乙烯吡咯烷酮修饰的碳纳米管（PVP-CNTs）、Ti?C?Tx和静电纺丝制备的热塑性聚氨酯（TPU）纳米纤维作为电极。TPU纳米纤维提供了高度弹性的基底，能够在重复拉伸和变形中保持结构完整性。而PVP-CNTs和MXene的协同作用则增强了电极的电荷传输能力和界面粘附性，使得TENG在80%应变下仍能维持稳定的电输出。这种TENG不仅具备出色的可拉伸性，还能在长时间运行中保持良好的性能，为电子皮肤的自我供电能力提供了可靠的支持。

这一集成系统的优势在于其多功能性和自我供电特性。应变传感器能够实时、精确地检测机械变形，而TENG则可以将机械能转化为电能，从而减少对外部电源的依赖。这种自给自足的供电方式使得电子皮肤在各种应用场景中更加灵活和实用。例如，在健康监测方面，该系统可以用于检测人体运动、呼吸频率和心率等生理信号；在加密信息传输中，可以将人体动作转化为电信号，实现隐蔽的信息传递；在物体识别方面，可以通过应变传感器对物体的接触和变形进行精确感知，从而实现非接触式的识别功能。

此外，该电子皮肤系统在材料选择和结构设计上也体现了创新性。MXene作为一种二维纳米材料，具有高导电性、大的比表面积和良好的化学可调性，使其成为应变传感器的理想材料。而CNTs-COOH则因其一维结构和优异的机械性能，能够增强传感器的强度和弹性。PDMS作为一种柔性聚合物，不仅提供了良好的生物相容性，还能够有效封装导电材料，防止水分侵入，从而提升整体的水稳定性和耐用性。在TENG部分，TPU纳米纤维作为弹性基底，能够承受重复的拉伸和变形，而PVP-CNTs和MXene的结合则显著提升了电极的导电性和粘附性。

在制造工艺方面，本文采用的喷雾、静电纺丝和真空过滤方法不仅操作简便，还具备良好的可扩展性，为大规模生产提供了可能。喷雾技术能够均匀地将导电材料沉积在柔性基底上，静电纺丝则用于制备具有高度弹性的TPU纳米纤维电极，而真空过滤则有助于形成稳定的微裂纹结构，从而提升应变传感器的灵敏度和响应范围。这些方法的结合使得电子皮肤的制备过程更加高效，同时也降低了生产成本，为未来可穿戴技术的发展铺平了道路。

为了进一步提升电子皮肤的性能，研究人员对材料进行了表面化学修饰。MXene表面的FAS修饰不仅增强了其水稳定性，还改善了其与周围材料的兼容性。而PVP修饰则有效防止了CNTs的聚集，使其在电极中均匀分散，从而提高了电荷传输效率。这种表面修饰策略为电子皮肤的多功能集成提供了关键的支持，使得应变传感器和TENG能够在相同的基底上协同工作，实现性能的优化。

该电子皮肤系统的实际应用潜力不容忽视。在健康监测领域，其高灵敏度和宽应变范围使其能够精确捕捉人体微小的运动变化，为慢性病管理和运动康复提供了新的解决方案。在加密信息传输方面，电子皮肤可以通过人体动作生成独特的电信号，从而实现信息的隐秘传递，这对于信息安全和隐私保护具有重要意义。在物体识别方面，电子皮肤能够通过接触和变形感知物体的特性，为智能交互和自动化系统提供了新的可能性。

然而，尽管这一电子皮肤系统在性能和功能上取得了显著进展，但仍面临一些挑战。例如，在实际应用中，电子皮肤需要与人体皮肤保持良好的贴合性，以确保信号的准确性和稳定性。此外，电子皮肤在复杂环境下的长期性能表现仍需进一步验证，特别是在高温、高湿或存在化学物质的环境下。因此，未来的研究可以集中在提升电子皮肤的环境适应性和耐久性，同时探索更多潜在的应用场景，如智能服装、可穿戴医疗设备和环境监测系统等。

综上所述，本文提出了一种结合应变传感器和TENG的多功能电子皮肤系统，其通过简单的制造工艺和材料表面修饰，实现了高灵敏度、宽应变范围、优异的水稳定性和出色的耐用性。这一系统不仅为可穿戴设备的自供电和多功能集成提供了新的思路，也为未来智能电子皮肤的发展奠定了基础。随着材料科学和制造技术的不断进步，这一创新设计有望在实际应用中发挥更大的作用，推动可穿戴电子技术向更智能、更高效的方向发展。