基于MWCNTs增强电纺TPU纳米纤维的便携式无电池握力监测软球传感器

研究人员针对传统握力评估系统笨重昂贵、局限于临床环境的问题，开发了一种集成多壁碳纳米管(MWCNTs)增强电纺热塑性聚氨酯(TPU)纳米纤维传感器的便携式软球系统。该传感器在10 N载荷下呈现600%电流变化，通过近场通信(NFC)实现无电池智能手机监测，可精准识别双手握力差异，为康复治疗和家庭护理提供低成本、可扩展的解决方案。

　　

握力强度作为评估肌肉功能和康复进展的关键生物标志物，在老年医学、术后康复和神经系统疾病管理中具有重要价值。然而传统数字测力计存在体积庞大、操作复杂、依赖临床环境等局限性，阻碍了日常监测的普及。更棘手的是，现有柔性传感器往往面临灵敏度与耐久性难以兼顾、需要外接电源等问题，例如Zhang等开发的石墨烯智能球因不可更换电池导致整体报废，Li团队研制的MWCNTs-TPU传感器虽灵敏度达2 kPa^-1
却因超薄结构易损坏。这些技术瓶颈使得开发兼具高精度、长寿命和易用性的握力监测系统成为康复工程领域的重大挑战。

为突破这些限制，研究人员创新性地将多壁碳纳米管(MWCNTs)修饰的电纺热塑性聚氨酯(TPU)纳米纤维传感器集成到硅胶球中，构建了首个无电池NFC握力监测平台。通过优化电纺工艺参数（15 kV电压，700 rpm收集器转速）和MWCNTs功能化流程，获得厚度约100 μm的敏感层，其独特的纤维网络结构在10 N载荷下产生600%电流变化。球形封装设计巧妙平衡了灵敏度与耐久性——虽然力传递效率降至30-40%，但能承受100 N载荷并稳定工作500次循环（相当于8周临床使用）。更突破性的是，该系统通过SIC4341芯片实现NFC无线供能与数据传输，用户仅需智能手机即可完成实时监测，解决了传统设备依赖电池的痛点。

研究团队采用四项关键技术：1）超声辅助MWCNTs分散与TPU纳米纤维功能化；2）丝网印刷叉指电极(IDE)构建柔性导电平台；3）Ecoflex 00-50硅胶球三维封装工艺；4）NFC Type 4标签无线传感系统集成。这些技术创新使传感器在0-60 N范围内保持4.54 kPa^-1
的灵敏度，最低检测限达11.4 Pa。

【MWCNTs增强电纺TPU纳米纤维的合成】
通过真空干燥和DMF溶解制备TPU溶液，经电纺形成纳米纤维膜后，采用SDS分散的MWCNTs进行超声功能化。SEM显示碳纳米管均匀包覆纤维，形成稳定的导电网络。

【独立传感器表征】
机械测试显示传感器具有双区域响应特性：<15 N时灵敏度达49.65 kPa^-1
（R²
=0.932），>15 N时降至2.07 kPa^-1
但仍保持线性。这种特性源于TPU基质弹性变形促使MWCNTs形成新导电通路，而量子隧穿效应增强电导率。500次循环测试中变异系数仅1.01%，证实界面结合稳定性。

【软球集成系统性能】
将传感器置于50 mm直径硅胶球几何中心后，60 N以下载荷仍呈现线性响应（R²
=0.97）。值得注意的是，球形封装使传感器在50 N循环加载下保持80%电流变化（CV=2.55%），且能清晰区分受试者左右手20%的握力差异。

【无电池握力监测系统】
集成SIC4341 NFC芯片的读卡器（<1/5信用卡尺寸）可无线获取数据。实测显示右手握力信号比左手高25%，与力学台架测试结果高度一致，验证了临床适用性。

这项研究通过材料创新与机电设计协同优化，成功将实验室级传感技术转化为实用康复工具。其核心价值体现在三方面：首先，MWCNTs-TPU纳米纤维的可扩展制备工艺（1.5 g TPU/10 ml DMF）为低成本量产奠定基础；其次，球形封装创新性地解决了柔性传感器机械保护与力传递效率的矛盾；最后，NFC供能方案消除了电池维护需求，大幅提升用户体验。尽管当前系统在绝对力值标定和三维力场解析方面存在局限，但其模块化设计允许后续集成多传感器阵列或蓝牙低功耗(BLE)模块。该技术平台不仅适用于握力监测，还可拓展至关节活动度、步态分析等生物力学检测领域，为个性化数字医疗提供全新解决方案。论文发表在《Materials》期刊，为智能康复设备开发树立了"敏感材料-创新结构-无线集成"协同设计的典范。