具有可写入电极的温敏自恢复多孔传感器：推动可穿戴运动检测技术的发展

本文开发了一种基于形状记忆聚合物（SMP）的自恢复柔性多孔传感器，通过盐牺牲模板法和气相聚合制备了EVA@PPy复合海绵，兼具高导电性、多模态传感（triboelectric和piezoresistive）能力及形状可编辑性。该传感器可集成于智能鞋垫实时监测足底压力分布，应用于关节监测带同步追踪多关节运动模式，并开发智能手套实现物体识别、压力映射和摩尔斯电码通信。实验表明，传感器在长期使用中保持优异稳定性，适用于医疗康复、人机交互及人工智能领域。

　　
该研究聚焦于开发一种具备自恢复性、形态可定制性和多模态传感能力的柔性多孔传感器，旨在解决现有可穿戴设备在长期运动监测中的耐用性不足、形态适应性差以及单一检测模式局限性等问题。研究以乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）为基体材料，结合聚吡咯（PPy）导电层，通过创新的多步制备工艺构建出具有多孔结构的复合海绵材料，并成功应用于足底压力监测、关节运动追踪、触觉感知及康复训练记录等多个场景。

**材料创新与制备工艺**
研究团队采用盐牺牲模板法构建EVA多孔基体，通过控制盐颗粒的分布和尺寸（约500微米）形成均匀孔洞结构（孔径约0.5毫米），确保材料具备高透气性（从支持水肺呼吸植物Setaria viridis表面承重验证其轻量化特性）和优异延展性。随后通过蒸汽相聚合技术将PPy均匀负载于多孔EVA骨架，形成EVA@PPy复合海绵。该制备工艺的关键突破在于：
1. **双模式传感集成**：PPy的导电性赋予材料电化学响应能力，而多孔结构则支持摩擦电效应（TENG）与压阻效应（piezoresistive）的协同作用，实现两种传感模式的并行检测。
2. **形态可编程性**：通过模板法与自由手绘技术结合，采用FeCl3催化剂调控PPy聚合位置，可精确设计电极图案（如直线、曲线、网格等），满足不同人体部位的形态适配需求。
3. **自恢复机制**：EVA作为形状记忆聚合物（SMP），在65℃热刺激下可快速（5秒内）从压缩形恢复为初始立方体结构，同时PPy导电层保持完整，确保传感器在反复形变中的功能稳定性。

**性能验证与测试**
1. **机械性能**：EVA@PPy海绵在压缩应变达80%时仍保持完整结构，循环压缩1000次后应力变化率低于5%，验证其耐疲劳特性。通过扫描电镜（SEM）观察到多孔结构在PPy负载后未受破坏，孔壁表面形成均匀皱褶的PPy薄膜（SEM图像显示约5-10微米厚度）。
2. **电学性能**：
- **摩擦电效应**：当EVA@PPy与PTFE材料接触分离时，可产生高达9.3V的开路电压，接触面积与压力正相关，且经10,000次循环后输出信号稳定性达95%以上。
- **压阻效应**：在20N压力下，电阻变化率（ΔR/R0）达-50%，响应时间仅300毫秒，灵敏度优于90%的商用柔性传感器（根据支持信息中表格对比）。
3. **环境适应性**：多孔结构赋予海绵优异的湿气渗透性（支持信息图S2显示湿度变化对性能无显著影响），可在潮湿环境中稳定工作。

**应用场景与技术创新**
1. **智能鞋垫系统**：集成38个传感器阵列的鞋垫可实时监测足底压力分布，通过动态颜色映射（饱和度与压力正相关）捕捉行走姿态变化。测试表明，在跨越障碍物等复杂动作中，传感器能准确识别6个关键运动阶段（站立→抬脚→离地→跨越→落地→离鞋），压力峰值检测误差低于2%。
2. **多关节运动监测带**：
- **腕/肘关节**：采用环形传感器阵列，可同步检测内外侧肌群收缩差异（如腕关节背伸时内侧传感器ΔR/R0达-32%，外侧达+18%）。
- **膝关节**：通过3D打印支架固定传感器阵列，能区分屈曲（0°→135°）与伸展（135°→0°）方向，检测延迟小于100毫秒。
3. **智能手套系统**：
- **物体识别**：与7种常见材料（PTFE、PDMS、PMMA等）接触时，Voc值差异达3-8倍，成功实现陶瓷杯、玻璃瓶等材质的自动分类。
- **康复训练监测**：通过背侧压力传感器阵列（间距2mm），可量化手指屈伸角度（如捏合篮球时腕关节传感器ΔR/R0达-45%），为中风患者等提供实时运动反馈。

**产业化潜力与挑战**
该技术已通过多项关键验证：① 传感器厚度仅7mm，重量轻至0.5克/平方厘米，满足贴身穿戴需求；② 采用柔性铜带（宽度可调至0.5mm）连接电极，实现毫米级分辨率；③ 自供电特性（Voc>8V）支持无线传输，续航时间超过传统电池式传感器3倍。但仍有改进空间：① 多孔结构在长期使用中可能因汗液腐蚀导致性能衰减；② 当前传感器阵列的采样频率（最高1kHz）仍需提升至10kHz以捕捉更精细的动作特征；③ 联邦学习算法尚未集成，可能限制大数据分析能力。

**技术延伸与跨领域应用**
研究团队已将传感器拓展至机器人触觉皮肤领域：通过集成柔性电路，机械臂可感知接触物体的材质、形状及压力分布（如抓取陶瓷杯时误触率降低至1%以下）。在医疗康复方面，结合肌电信号（如EMG）可构建多模态反馈系统，帮助截肢患者实现更自然的假肢控制。此外，通过Morse编码模块（单脉冲0.3秒，双脉冲0.6秒），已实现文字信息传输速率达120字符/分钟，适用于野外通信等场景。

**总结**
该研究突破性地将形状记忆材料、多孔结构设计、双模态传感技术整合，构建出全球首个可自主修复、支持多形态定制且具备双模态检测能力的柔性传感器系统。其核心价值在于：① 通过SMP材料实现机械疲劳寿命提升5倍以上；② 多孔结构使单位面积传感数量增加3倍（达38个/cm2）；③ 模块化设计支持快速适配不同人体部位（如将传感器阵列与3D打印鞋垫结合）。这些特性使其在老龄化社会中的慢性病监测（如帕金森患者步态分析）、工业机器人触觉反馈、虚拟现实交互等领域具有广阔应用前景，标志着可穿戴传感器进入"自适应-多模态-长寿命"新阶段。