皮肤启发的Janus电子织物：实现双向运动感知与自适应湿气管理的下一代可穿戴技术

《npj Flexible Electronics》：Skin-inspired Janus E-textile with bidirectional motion perception and adaptive moisture management for next-generation wearables

本刊编辑推荐：为解决传统电子纺织品难以同时实现方向性应变监测与穿戴舒适性的问题，研究人员开展了皮肤启发的Janus双层电子织物（JDET）研究。通过MXene/聚多巴胺改性导电纱线构建高灵敏度应变传感单元（GF=1402.94），结合平纹-斜纹双层织物结构形成润湿性/孔隙率双梯度，实现了-180°~180°双向弯曲识别和单向导湿功能（单向导湿指数330.5）。该研究为智能电子纺织品的多功能集成设计提供了新思路。

　　

随着人工智能和柔性电子技术的快速发展，人机交互、个人防护、健康监测等领域对具身智能系统的需求日益增长。传感器作为实现感知功能的核心部件，通过将外部刺激转换为易处理的电信号，帮助我们高效获取环境信息和生理状态。然而，当前柔性传感器的基底材料多采用水凝胶、薄膜、聚氨酯等材料，虽然集成了力学、温湿度等传感功能，却存在透气透湿性差的缺陷，使用过程中易导致汗液积聚，引发接触界面失效，降低穿戴可靠性和舒适度。

纺织品因其柔韧性、易加工性和可设计性，成为构建舒适可靠柔性传感器的理想基底材料。新一代电子纺织品（E-textile）在能量管理、健康监测等领域对舒适性和多功能传感提出了更高要求。自然界中广泛存在的不对称结构为解决这一难题提供了灵感来源，例如人体皮肤的梯度孔隙结构能够同时实现汗液定向传输和多模态感知功能。尽管现有研究通过静电纺丝、编织等方法实现了织物的单向导湿，但往往缺乏与传感功能的集成设计，且依赖复杂制造工艺和高成本材料。

受到皮肤不对称梯度结构的启发，东华大学潘一诺、杨春兵和杜赵群团队在《npj Flexible Electronics》发表了一项创新研究，开发出一种具有双向运动感知和自适应湿气管理功能的Janus结构双层电子织物（JDET）。该研究通过材料-结构-功能一体化仿生设计，将双向弯曲识别与湿气管理功能集成于单一织物结构中。

关键技术方法包括：1）通过纱线包缠和导电涂层工艺制备PDA@MXene改性传感纱线；2）采用双层织造结构设计，以亲水传感纱线织造平纹层、疏水聚酯纱线织造斜纹层，形成润湿性和孔隙率双梯度；3）通过不对称传感层分布实现双向弯曲识别功能；4）利用水分管理测试仪（MMT）和接触角测量仪等设备表征织物性能。

2.1 JDET的结构设计、制备与表征

研究团队以人体皮肤的梯度结构为蓝本，设计出模拟汗液传输过程的双层梯度织物。首先以高弹性氨纶长丝为芯纱骨架，螺旋包缠纤维素纱线形成单包缠纱，随后浸渍于聚多巴胺改性MXene（D_xM₅₀）溶液中制备传感纱线。X射线衍射（XRD）表征显示MXene的（002）晶面衍射峰从9.5°偏移至6.2°，证明层间距成功扩大。X射线光电子能谱（XPS）分析证实了多巴胺在MXene纳米片上的氧化自聚合，形成了C-O-Ti配位键，显著增强了MXene的抗氧化性能。

2.2 多功能传感性能

传感纱线在2400 T/m捻度下表现出最优的拉伸和弯曲传感性能。在80%-100%应变范围内灵敏度（Gauge Factor, GF）高达1402.94，弯曲应变灵敏度为-6.36。通过双层织物的不对称结构设计，JDET实现了双向弯曲识别功能：当向传感纱线层（JDET-C）弯曲时，纱线受压应力作用电阻减小（ΔR<0）；向另一侧（JDET-P）弯曲时，纱线受拉应力作用电阻增大（ΔR>0）。有限元模拟结果验证了不同弯曲状态下的应力分布差异。

JDET在-180°~180°弯曲范围内表现出优异的传感性能，响应时间200 ms，恢复时间100 ms，经8000秒弯曲循环测试后仍保持稳定输出。在温度20-50℃、相对湿度60%-90%环境条件下，传感信号变化率仅9.51%，经10次润湿-干燥循环后性能保持稳定。

2.3 湿气管理功能

通过平纹-斜纹双层结构设计，JDET形成了"内疏外亲"的润湿梯度。平纹组织交织紧密、孔隙小，斜纹组织交织稀疏、孔隙多，结合亲水性的纤维素/传感纱线与疏水性聚酯纱线的材料选择，创造了孔隙率和润湿性的叠加梯度。水分管理测试显示，当人工汗液滴落至疏水层时，可在1.4秒内快速传输至亲水层，单向导湿指数达330.5。蒸发速率测试表明JDET的水分蒸发率（0.3456 g/h）优于纯棉织物。

2.4 JDET双向织物弯曲传感器的应用

在实际应用场景中，JDET展现出卓越的性能。在乒乓球和羽毛球挥拍动作监测中，能够准确识别手腕不同方向的弯曲轨迹；在莫尔斯电码识别系统中，通过弯曲方向（手腕抬起时ΔR>0对应"·"，手腕下落时ΔR<0对应"-"）实现直观识别，成功演示了"DHU"、"SOS"、"HELLO"等信号的稳定传输。

研究结论表明，这种受皮肤启发的Janus结构双层电子织物成功实现了双向弯曲感知与湿气管理功能的协同集成。通过单包缠纱与导电材料的复合结构设计，传感纱线在拉伸和弯曲应变模式下均表现出优异的灵敏度；利用双层织造结构将一维纱线功能拓展至二维织物响应；通过不对称结构设计实现了-180°~180°范围内的双向弯曲识别；借助织物结构设计与纱线选择，形成了孔隙率与润湿性双梯度结构，实现了织物层面的单向导湿功能。该研究为新一代智能纺织品和可穿戴设备的设计提供了新思路，有望推动智能电子纺织品领域的创新发展。